在亚原子世界寻找新的物理学

旋流粒子物理概念

粒子物理学家使用晶格量子色动力学和超级计算机来搜索超出标准模型的物理学。

更深入地窥探内心深处原子科学家们假设,你会发现一个丰富的世界,里面的粒子在真空中进进出出,衰变成其他粒子,增加了可见世界的奇异性。这些亚原子粒子受宇宙的量子本质支配,并在实验结果中找到有形的物理形式。

在一个世纪前首次发现一些亚杀菌颗粒具有相对简单的实验。然而,最近,努力了解这些颗粒已经产生了世界上最大,最雄心勃勃,复杂的实验,包括欧洲核研究组织如粒子物理实验室(c在欧洲,伊利诺斯州的费米实验室和日本的高能加速器研究组织(KEK)。

这些实验有一个使命扩大我们对宇宙的理解,其特征在于粒子物理的标准模型;并超越尚不清楚物理的标准模型。

晶格间距对夸克质量的影响

这张图显示了由一个重夸克和一个轻夸克组成的介子的衰变特性如何随着晶格间距和重夸克质量在计算上的变化而变化。资料来源:A. Bazavov(密歇根大学),C. Bernard(华盛顿大学,圣路易斯),N. Brown(华盛顿大学,圣路易斯),C. DeTar(犹他大学),A. x . El-Khadra(伊利诺伊大学,Urbana和Fermilab)等。

印第安纳大学(Indiana University)杰出的物理学教授史蒂文·戈特利布(Steven Gottlieb)说:“标准模型解释了我们在基本粒子和核物理中观察到的这么多东西,但它留下了许多未解的问题。”“我们正试图解开标准模型之外的奥秘。”

自从粒子物理学研究开始以来,实验和理论方法彼此相互作用,以便了解自然。在过去的四到五十年中,先进的计算已成为这两种方法的重要组成部分。理解亚非原子粒子动物园的行为,包括玻色子(特别是长寻求和最近发现的Higgs Boson),各种夸克,胶合,丘,中微子和许多州,包括夸克或抗的许多州-quarks绑在一起。

量子场理论是构建粒子物理标准模型的理论框架。它结合了经典领域理论,特殊的相对论和量子力学,与爱因斯坦,Dirac,Fermi,Feynman等贡献开发。在标准模型中,量子色动力学或QCD,是夸克和胶合作用的强烈相互作用的理论,构成一些较大的复合颗粒如质子,中子和孔的基本粒子。

透过格子向外窥视

Carleton DeTar和Steven Gottlieb是当代QCD研究领域的两位领先学者,也是lattice QCD方法的实践者。晶格QCD表示连续空间为时空点的离散集合(称为晶格)。它使用超级计算机来研究夸克的相互作用,更重要的是,它可以更精确地确定标准模型的几个参数,从而减少其预测中的不确定性。这是一种缓慢且资源密集的方法,但它已被证明具有广泛的适用性,使人们能够深入了解该理论中其他方法无法理解的部分,尤其是作用于夸克和反夸克之间的显式力。

平面图的统一三角形

一个单位三角形的图,一个标准模型的良好测试,显示了在ρ、¯η平面上的约束。阴影区域有95% CL,这是一种设置模型参数上限的统计方法。资料来源:A. Ceccucci (CERN)、Z. Ligeti (LBNL)和Y. Sakai (KEK)

DeTar和Gottlieb是MIMD晶格计算(MILC)合作项目的一部分,他们与费米实验室晶格合作项目的大部分工作都非常密切。他们还与高精度QCD (HPQCD)合作研究介子异常磁矩。作为这些努力的一部分,他们使用了世界上最快的超级计算机。

自2019年以来,他们在德克萨斯高级计算中心(TACC)使用Frontera - 世界上最快的学术超级计算机和整体第9位 - 推动他们的工作。它们是该资源的最大用户之一,由国家科学基金会资助。该团队还在橡树岭国家实验室(世界上第2位最快的超级计算机)使用峰会;在国家能源研究科学计算中心(#20)和TACC的Stampede2(#25)的Cori,用于格子计算。

lattice QCD社区几十年来的努力带来了更大的进步准确性通过更快的计算机和改进的算法和方法的组合来预测粒子预测。

犹他大学的物理和天文学教授DeTar说:“我们可以对相互作用的强度进行高精度的计算和预测。”“20世纪60年代末,我刚开始读研究生的时候,我们的一些最佳估计误差在实验结果的20%以内。现在我们得到答案的正确率还不到百分之一。”

Frontera超级计算机TACC

根据2019年11月Top500组织的排名,Frontera是世界上第五大最强大的超级计算机,也是最快的学术超级计算机。弗朗特拉位于德克萨斯高级计算中心,由美国国家科学基金会支持。信贷:TACC

在粒子物理学中,物理实验和理论串联行驶,互相通知,但有时会产生不同的结果。这些差异建议进一步探索或改善的领域。

“这些测试存在一些紧张,”印第安纳大学(Indiana University)杰出的物理学教授戈特利布(Gottlieb)说。他说:“紧张局势还没有大到足以说明这里有问题。通常的要求是至少五个标准差。但这意味着要么你让理论和实验更精确,发现一致性更好;或者你这样做,然后你会发现,‘等一下,原来的3 σ张力现在变成了5个标准差张力,也许我们真的有了新物理的证据。’”

DeTar称这些理论和实验之间的小差异“很诱人”。’”他们可能会告诉我们一些事情。

在过去的几年中,DeTar, Gottlieb和他们的合作者以越来越高的分辨率追踪了夸克和反夸克的路径,当它们穿过由胶子和虚夸克-反夸克对组成的背景云时,这正是QCD精确规定的。计算结果用于确定有物理意义的数量,如粒子质量和衰变。

研究人员目前使用的最先进的方法之一是使用所谓的高度改进的交错夸克(HISQ)形式来模拟夸克与胶子的相互作用。在Frontera上,DeTar和Gottlieb目前正在以0.06飞米(10-15年但他们很快就接近了最终目标0.03飞米,这个距离的晶格间距小于最重夸克的波长,从而消除了这些计算中一个重要的不确定因素。

然而,分辨率的每倍需要大约两个数量级的计算能力,将0.03幻灯管晶格间距牢牢地在快速接近的“ExaSAsale”制度中。

“计算成本会随着晶格间距的减小而不断上升,”DeTar说。“对于更小的格子间距,我们正在考虑未来的能源部机器和领导级计算设施(TACC的未来系统规划)。但我们现在可以用推断来凑合。”

μ子的异常磁矩和其他优秀的谜团

在脱裂和Gottlieb的现象中,徘徊的是μ子的异常磁矩(基本上是一个重型电子) - 在量子场理论中,从围绕μ子的基本粒子的弱云产生。同一种云影响粒子衰减。理论主义者认为尚未发现的基本粒子可能是可能的。

一个名为the的大型国际合作组织介子g-2理论首创最近审查了μ子异常磁矩标准模型计算的现状。他们的审查出现在物理报告2020年12月。Detar,Gottlieb和他们的一些费用格,HPQCD和MILC合作者是共同院胎之一。他们在实验与理论之间找到了3.7标准偏差差异。

虽然理论贡献的某些部分可以以极度准确度计算,但屈证贡献(由两三个夸克组成的子类粒子的类颗粒,并且参与强烈的相互作用)是最难以计算的,并且对几乎所有的负责理论不确定性。格子QCD是计算这些贡献的两种方式之一。

他们写道:“通过目前在费米实验室进行的新实验,以及未来的J-PARC实验,实验的不确定性将很快减少四分之一。”“这一点,以及在不久的将来进一步降低理论不确定性的前景……使这个量成为寻找新物理证据最有希望的地方之一。”

戈特利布、德塔尔及其合作者已经计算出强子对异常磁矩的贡献,其精度为2.2%。戈特利布说:“这让我们有信心,我们的短期目标,即在强子对介子反常磁矩的贡献上达到1%的精度,现在是一个现实的目标。”希望几年后能达到0.5%的精度。

其他“诱人”的新物理学暗示包括B介子衰变的测量。在那里,不同的实验方法得到不同的结果。Gottlieb说:“D和B介子的衰变特性和混合对更准确地确定标准模型中几个最不知名的参数至关重要。”“我们的工作是改进对上夸克、下夸克、奇异夸克、魅力夸克和底夸克质量的测定,以及它们在弱衰变下如何混合的测定。”这种混合被描述为所谓的CKM混合矩阵,小林和Maskawa因此获得了2008年诺贝尔物理学奖。

答案Detar和Gottlieb Seek是科学中最基本的:是什么原因?它来自哪里?

“宇宙在很多方面非常联系,”脱果。“我们希望了解宇宙如何开始。目前的理解是它开始了大爆炸。并且在宇宙中最早的情况中重要的过程涉及我们在这里使用的相同的互动。因此,我们试图在微科学模式下解决的谜团也可能非常好地为宇宙学量观的奥秘提供答案。“

Reference: “The anomalous magnetic moment of the muon in the Standard Model” by T. Aoyama, N. Asmussen, M. Benayoun, J. Bijnens, T. Blum, M. Bruno, I. Caprini, C. M. Carloni Calame, M. Cè, G. Colangelo, F. Curciarello, H. Czyz, I. Danilkin, M. Davier, C. T. H. Davies, M. Della Morte, S. I. Eidelman, A. X. El-Khadra, A. Gérardin, D. Giusti, M. Golterman, StevenGottlieb, V. Gülpers, F. Hagelstein, M. Hayakawa, G. Herdoíza, D. W. Hertzog, A. Hoecker, M. Hoferichter, B.-L. Hoid, R. J. Hudspith, F. Ignatov, T. Izubuchi, F. Jegerlehner, L. Jin, A. Keshavarzi, T. Kinoshita, B. Kubis, A. Kupich, A. Kupsc, L. Laub, C. Lehner, L. Lellouch, I. Logashenko, B. Malaescu, K. Maltman, M. K. Marinkovic, P. Masjuan, A. S. Meyer, H. B. Meyer, T. Mibe, K. Miura, S. E. Müller, M. Nio, D. Nomura, A. Nyffeler, V. Pascalutsa, M. Passera, E. Perez del Rio, S. Peris, A. Portelli, M. Procura, C. F. Redmer, B. L. Roberts, P. Sánchez-Puertas, S. Serednyakov, B. Shwartz, S. Simula, D. Stöckinger, H. Stöckinger-Kim, P. Stoffer, T. Teubner, R. Van de Water, M. Vanderhaeghen, G. Venanzoni, G. von Hippel, H. Wittig, Z. Zhang, M. N. Achasov, A. Bashir, N. Cardoso, B. Chakraborty, E.-H. Chao, J. Charles, A. Crivellin, O. Deineka, A. Denig, C. DeTar, C. A. Dominguez, A. E. Dorokhov, V. P. Druzhinin, G. Eichmann, M. Fael, C. S. Fischer, E. Gámiz, Z. Gelzer, J. R. Green, S. Guellati-Khelifa, D. Hatton, N. Hermansson-Truedsson, S. Holz, B. Hörz, M. Knecht, J. Koponen, A. S. Kronfeld, J. Laiho, S. Leupold, P. B. Mackenzie, W. J. Marciano, C. McNeile, D. Mohler, J. Monnard, E. T. Neil, A. V. Nesterenko, K. Ottnad, V. Pauk, A. E. Radzhabov, E. de Rafael, K. Raya, A. Risch, A. Rodríguez-Sánchez, P. Roig, T. San José, E. P. Solodov, R. Sugar, K. Yu. Todyshev, A. Vainshtein, A. Vaquero Avilés-Casco, E. Weil, J. Wilhelm, R. Williams and A. S. Zhevlakov, 14 August 2020, .
DOI:10.1016 / J.Physrep.2020.07.006

1条评论论“在亚原子世界中寻找新的物理”

  1. 现在我想知道重力是否可以与“对流换热”相比较…

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