Физика: ресурсы для поиска трещин в стандартной модели

С 1970-х годов Стандартная модель физики служит основой для исследования физики элементарных частиц. И экспериментаторы, и физики-теоретики проверили точность Стандартной модели, и она остается законом страны, когда дело доходит до понимания того, как ведет себя субатомный мир.


На этой неделе в этом базовом наборе предположений образовались трещины. Исследователи коллаборации «Мюон g-2» из Национальной ускорительной лаборатории Ферми (FNAL) в США опубликовали дополнительные экспериментальные данные, которые показывают, что мюоны – тяжелые субатомные электронов – могут иметь больший «магнитный момент», чем раньше. Оценки Стандартной модели предсказывали, указывая, что неизвестная частица или сила могут влиять на мюон. Работа основана на аномальных результатах, впервые обнаруженных 20 лет назад в Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL), и ставит под сомнение необходимость переписывания Стандартной модели.

Между тем, исследователи в Германии использовали самую мощную в Европе инфраструктуру высокопроизводительных вычислений (HPC) для выполнения новых и более точных расчетов решеточной квантовой хромодинамики (решеточной КХД) мюонов в магнитном поле. Команда обнаружила, что значение предсказания поведения мюонов в Стандартной модели отличается от того, что было принято ранее. Новое теоретическое значение согласуется с экспериментом FNAL, предполагая, что пересмотр Стандартной модели не требуется. Результаты теперь опубликованы в .

Команда в основном использовала суперкомпьютер JUWELS в Юлихском суперкомпьютерном центре (АО), а вычислительное время предоставлялось Центром суперкомпьютеров Гаусса (GCS), а также в системе JURECA АО, наряду с обширными вычислениями, выполненными на двух других площадках GCS – на Hawk в Центре высокопроизводительных вычислений в Штутгарте (HLRS) и на SuperMUC-NG в суперкомпьютерном центре Leibniz Supercomputing Center (LRZ).

И экспериментаторы, и физики-теоретики согласились, что необходимо провести дальнейшие исследования, чтобы проверить результаты, опубликованные на этой неделе. Однако ясно одно: ресурсы HPC, предоставленные GCS, были необходимы ученым для достижения точности, необходимой для получения этих революционных результатов.

«Впервые результаты на решетке имеют точность, сравнимую с этими экспериментами. Интересно, что наш результат согласуется с новым экспериментом FNAL, в отличие от результатов предыдущей теории, которые сильно расходятся с ним», – сказал профессор Кальман Сабо, руководитель. группы исследователей Гельмгольца “Релятивистская квантовая теория поля” в ОАО и соавтор Природа публикация. «Прежде чем решить судьбу Стандартной модели, нужно понять теоретические различия, и для этого неизбежны новые вычисления в решеточной КХД».

Незначительные расхождения, серьезные последствия

Когда в 2001 году исследователи BNL зафиксировали необъяснимое поведение мюонов, это открытие оставило физиков в недоумении – мюон, субатомная частица в 200 раз тяжелее электрона, показал более сильные , чем предсказывает Стандартная физическая модель. Хотя первоначальное открытие предполагало, что мюоны могут взаимодействовать с ранее неизвестными субатомными частицами, результаты все еще не были достаточно точными, чтобы однозначно утверждать новое открытие.

В течение следующих 20 лет крупные инвестиции в новые сверхчувствительные эксперименты, проводимые на установках ускорителей частиц, а также все более изощренные теоретические подходы были направлены на подтверждение или опровержение результатов группы BNL. В это время исследовательская группа под руководством профессора Вуппертальского университета Золтана Фодора, еще одного соавтора Природа paper, прогрессирует с большими шагами в моделировании решеточной КХД на суперкомпьютерах, предоставленных GCS. «Хотя наши результаты по мюону g-2 являются новыми и должны быть тщательно изучены другими группами, у нас есть большой опыт вычислений различных физических явлений в квантовой хромодинамике». – сказал профессор Фодор. «Наши предыдущие основные достижения заключались в вычислении массы протона, разности масс протона и нейтрона, фазовой диаграммы ранней Вселенной и возможного решения проблемы темной материи. Это проложило путь к нашему самому последнему результату».