Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Hai thập kỷ trước, một thí nghiệm đã xác định một sự không phù hợp bí ẩn giữa lý thuyết vật lý hạt đã được thiết lập và các phép đo trong phòng thí nghiệm thực tế. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một siêu máy tính để giúp thu hẹp những lời giải thích có thể có cho sự khác biệt, đưa ra một phép tính lý thuyết mới chính xác, tinh chỉnh một phần của câu đố rất phức tạp này.
Hai thập kỷ trước, một thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã xác định một sự không phù hợp bí ẩn giữa lý thuyết vật lý hạt đã thiết lập và các phép đo trong phòng thí nghiệm thực tế. Khi các nhà nghiên cứu đánh giá hành vi của một hạt hạ nguyên tử được gọi là Muon, kết quả không phù hợp với tính toán lý thuyết, đặt ra thách thức tiềm năng cho Mô hình Chuẩn – sự hiểu biết hiện tại của chúng ta về cách thức vũ trụ hoạt động.
Kể từ đó, các nhà khoa học trên khắp thế giới đã cố gắng xác minh sự khác biệt này và xác định tầm quan trọng của nó. Câu trả lời có thể duy trì Mô hình Chuẩn, định nghĩa tất cả các hạt hạ nguyên tử đã biết và cách chúng tương tác, hoặc đưa ra khả năng của một vật lý hoàn toàn chưa được khám phá. Một nhóm nghiên cứu đa tổ chức (bao gồm Brookhaven, Đại học Columbia và các trường đại học Connecticut, Nagoya và Regensburg, RIKEN) đã sử dụng siêu máy tính Mira của Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne để giúp thu hẹp những giải thích có thể có về sự khác biệt, đưa ra một tính toán lý thuyết mới chính xác để tinh chỉnh một phần của câu đố rất phức tạp này. Công trình được tài trợ một phần bởi Văn phòng Khoa học của DOE thông qua Văn phòng Vật lý năng lượng cao và các chương trình nghiên cứu tính toán khoa học tiên tiến Thư đánh giá vật lý (Physical Review Letters) .
Muon là phiên bản nặng hơn của electron và có cùng điện tích. Phép đo trong câu hỏi là về mô men từ của muon, xác định cách thức hạt rung chuyển khi tương tác với từ trường bên ngoài. Thí nghiệm Brookhaven trước đó,được gọi là Muon g-2, đã kiểm tra các muon khi chúng tương tác với một vòng lưu trữ nam châm có đường kính 50 feet. Các kết quả thử nghiệm khác với giá trị được dự đoán bởi lý thuyết bởi một lượng cực kỳ nhỏ được đo bằng phần triệu, nhưng trong lĩnh vực của Mô hình Chuẩn, sự khác biệt đó đủ lớn để có thể nhận thấy.
Thomas Blum, nhà vật lý tại Đại học Connecticut, người đồng tác giả bài báo cho biết: “Nếu bạn tính đến sự không chắc chắn trong cả tính toán và phép đo, chúng tôi không thể biết đây là sự khác biệt thực sự hay chỉ là một biến động thống kê. Vì vậy, cả các nhà thực nghiệm và lý thuyết đang cố gắng cải thiện độ sắc nét của kết quả của họ.”
Như Taku Izubuchi, một nhà vật lý tại Brookhaven Lab, đồng tác giả của bài báo đã lưu ý: “Các nhà vật lý đã cố gắng tìm hiểu khoảnh khắc từ tính dị thường của muon bằng cách so sánh các tính toán lý thuyết chính xác và các thí nghiệm chính xác từ những năm 1940. công việc đã dẫn đến nhiều khám phá trong vật lý hạt và tiếp tục mở rộng giới hạn về kiến thức và khả năng của chúng ta trong cả lý thuyết và thực nghiệm. “
Nếu sự khác biệt giữa kết quả thực nghiệm và dự đoán lý thuyết là thực tế, điều đó có nghĩa là một số yếu tố khác – có lẽ là một hạt chưa được phát hiện – đang khiến muon hành xử khác với dự kiến, và Mô hình Chuẩn sẽ cần phải có sửa đổi.
Nhóm nghiên cứu tập trung vào khía cạnh khó khăn khét tiếng về sự bất thường liên quan đến lực mạnh, một trong bốn lực cơ bản trong tự nhiên chi phối cách các hạt tương tác cùng với lực yếu, điện từ và lực hấp dẫn. Sự không chắc chắn lớn nhất trong tính toán muon đến từ các hạt tương tác thông qua lực mạnh, được gọi là đóng góp mãn tính. Những đóng góp mãn tính này được xác định bởi một lý thuyết gọi là sắc ký lượng tử (QCD).
“Trong một thời gian dài, nhiều người nghĩ rằng sự đóng góp này sẽ giải thích sự khác biệt bởi vì nó rất thách thức nhưng chúng tôi thấy các ước tính trước đó không còn xa, và giá trị thực không thể giải thích cho sự khác biệt” – Nhà vật lý Thomas Blum của Đại học Connecticut
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một phương pháp gọi là mạng QCD để phân tích một loại đóng góp mãn tính, tán xạ ánh sáng. Luchang Jin, nhà vật lý tại Đại học Connecticut và đồng tác giả của bài báo cho biết: “Để thực hiện tính toán, chúng tôi mô phỏng trường lượng tử trong một hộp lập phương nhỏ có chứa quá trình tán xạ ánh sáng mà chúng tôi quan tâm. Chúng tôi có thể dễ dàng kết thúc với hàng triệu điểm về thời gian và không gian trong mô phỏng.”
Đó là nơi Mira đến. Nhóm đã sử dụng siêu máy tính đặt tại Cơ sở tính toán lãnh đạo Argonne (ALCF) để giải các phương trình toán học phức tạp của QCD, mã hóa tất cả các tương tác mạnh có thể với muon. ALCF, một Cơ sở Người dùng Khoa học của DOE gần đây đã nghỉ hưu Mira để nhường chỗ cho siêu máy tính Aurora mạnh hơn, một hệ thống exascale dự kiến đến vào năm 2021.
“Mira rất phù hợp với công việc này”, James Osborn, một nhà khoa học tính toán thuộc bộ phận Khoa học tính toán của ALCF và Argonne nói thêm. “Với gần 50.000 nút được kết nối bởi một mạng rất nhanh, hệ thống song song ồ ạt của chúng tôi đã cho phép nhóm thực hiện các mô phỏng lớn rất hiệu quả.”
Sau bốn năm tính toán trên Mira, các nhà nghiên cứu đã tạo ra kết quả đầu tiên cho sự đóng góp tán xạ ánh sáng kinh niên vào khoảnh khắc từ tính dị thường muon, kiểm soát tất cả các lỗi.
Trong khi đó, một phiên bản mới của thí nghiệm Muon g-2 đang được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia Fermi, nhằm giảm sự không chắc chắn ở phía thí nghiệm theo hệ số bốn. Những kết quả đó sẽ thêm cái nhìn sâu sắc hơn cho công việc lý thuyết đang được thực hiện bây giờ.
“Theo như chúng tôi biết, sự khác biệt vẫn còn tồn tại,” Blum nói. “Chúng tôi đang chờ xem liệu các kết quả cùng nhau chỉ ra vật lý mới hay liệu Mô hình Chuẩn hiện tại có còn là lý thuyết tốt nhất mà chúng tôi phải giải thích về bản chất hay không.”
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm quốc gia DOE / Brookhaven . Bản gốc được viết bởi Christina Nunez. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :