Hace dos décadas, un experimento en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de los EE. UU. DOE identificó un misterioso desajuste entre la teoría de la física de partículas establecida y las mediciones de laboratorio reales. Cuando los investigadores midieron el comportamiento de una partícula subatómica llamada muón, los resultados hicieronno está de acuerdo con los cálculos teóricos, lo que representa un desafío potencial para el Modelo Estándar: nuestra comprensión actual de cómo funciona el universo.
Desde entonces, los científicos de todo el mundo han estado tratando de verificar esta discrepancia y determinar su importancia. La respuesta podría defender el Modelo Estándar, que define todas las partículas subatómicas conocidas y cómo interactúan, o introducir la posibilidad de unafísica completamente desconocida Un equipo de investigación multiinstitucional que incluye Brookhaven, la Universidad de Columbia y las universidades de Connecticut, Nagoya y Regensburg, RIKEN ha utilizado la supercomputadora Mira del Laboratorio Nacional de Argonne para ayudar a reducir las posibles explicaciones de la discrepancia, entregando un nuevocálculo teórico preciso que refina una pieza de este rompecabezas muy complejo. El trabajo, financiado en parte por la Oficina de Ciencia del DOE a través de su Oficina de Física de Alta Energía y los programas de Investigación de Computación Científica Avanzada, ha sido publicado en la revista Cartas de revisión física .
Un muón es una versión más pesada del electrón y tiene la misma carga eléctrica. La medida en cuestión es el momento magnético del muón, que define cómo la partícula se tambalea cuando interactúa con un campo magnético externo. El experimento Brookhaven anterior, conocidocomo Muon g-2, examinó a los muones mientras interactuaban con un anillo de almacenamiento de electroimán de 50 pies de diámetro. Los resultados experimentales divergieron del valor predicho por la teoría en una cantidad extremadamente pequeña medida en partes por millón, pero en el ámbito del Modelo Estándar, tal diferencia es lo suficientemente grande como para ser notable.
"Si se tienen en cuenta las incertidumbres tanto en los cálculos como en las mediciones, no podemos saber si se trata de una discrepancia real o solo una fluctuación estadística", dijo Thomas Blum, físico de la Universidad de Connecticut, coautor del estudio."Así que tanto los experimentadores como los teóricos están tratando de mejorar la nitidez de sus resultados".
Como señaló Taku Izubuchi, físico en Brookhaven Lab, coautor del artículo, "los físicos han estado tratando de comprender el momento magnético anómalo del muón comparando cálculos teóricos precisos y experimentos precisos desde la década de 1940. EstoLa secuencia de trabajo ha llevado a muchos descubrimientos en física de partículas y continúa expandiendo los límites de nuestro conocimiento y capacidades, tanto en teoría como en experimentos ".
Si la discrepancia entre los resultados experimentales y las predicciones teóricas es realmente real, eso significaría que algún otro factor, tal vez una partícula aún por descubrir, está causando que el muón se comporte de manera diferente de lo esperado, y el Modelo Estándar necesitaríapara ser revisado
El trabajo del equipo se centró en un aspecto notoriamente difícil de la anomalía que involucra la fuerza fuerte, que es una de las cuatro fuerzas básicas en la naturaleza que gobierna cómo interactúan las partículas, junto con la fuerza débil, electromagnética y gravitacional. Las mayores incertidumbres en el muónlos cálculos provienen de partículas que interactúan a través de la fuerza fuerte, conocidas como contribuciones hadrónicas. Estas contribuciones hadrónicas se definen mediante una teoría llamada cromodinámica cuántica QCD.
Durante mucho tiempo, muchas personas pensaron que esta contribución, porque era tan desafiante, explicaría la discrepancia. Pero descubrimos que las estimaciones anteriores no estaban muy lejos.
- físico de la Universidad de Connecticut Thomas Blum
Los investigadores utilizaron un método llamado QCD de red para analizar un tipo de contribución hadrónica, dispersión de luz por luz. "Para hacer el cálculo, simulamos el campo cuántico en una pequeña caja cúbica que contiene la dispersión de luz por luz"."Estamos interesados en el proceso", dijo Luchang Jin, físico de la Universidad de Connecticut y coautor del artículo. "Podemos terminar fácilmente con millones de puntos en el tiempo y el espacio en la simulación".
Ahí es donde entró Mira. El equipo usó la supercomputadora, ubicada en el Argonne Leadership Computing Facility ALCF, para resolver las complejas ecuaciones matemáticas de QCD, que codifican todas las posibles interacciones fuertes con el muón. El ALCF, una oficina del DOEde Science User Facility, recientemente se retiró de Mira para dar cabida a la supercomputadora Aurora más potente, un sistema de exascala programado para llegar en 2021.
"Mira era ideal para este trabajo", dijo James Osborn, un científico computacional de la división de Ciencias Computacionales de Argonne y ALCF. "Con casi 50,000 nodos conectados por una red muy rápida, nuestro sistema masivamente paralelo permitió que el equipo corriera en grandesimulaciones muy eficientes "
Después de cuatro años de realizar cálculos en Mira, los investigadores produjeron el primer resultado para la contribución de dispersión de luz por luz hadrónica al momento magnético anómalo del muón, controlando todos los errores.
"Durante mucho tiempo, muchas personas pensaron que esta contribución, porque era tan desafiante, explicaría la discrepancia", dijo Blum. "Pero descubrimos que las estimaciones anteriores no estaban muy lejos y que el valor real no puede explicar la discrepancia"."
Mientras tanto, una nueva versión del experimento Muon g-2 está en marcha en el Fermi National Accelerator Laboratory, con el objetivo de reducir la incertidumbre en el lado experimental en un factor de cuatro. Esos resultados agregarán más información al trabajo teórico que se está realizando ahora.
"Hasta donde sabemos, la discrepancia aún se mantiene", dijo Blum. "Estamos esperando ver si los resultados juntos apuntan a una nueva física, o si el Modelo Estándar actual sigue siendo la mejor teoría que tenemos para explicar la naturaleza."
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Original escrito por Christina Nunez. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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