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在亚原子世绝世邪神女主界中寻找新物理的线索

物理学 2021-10-26 23:58:44

德克萨斯大学奥斯汀分校 图显示了当晶格间距和重夸克质量在计算中变化时,由重夸克和轻夸克组成的介子的衰变性质是如何变化的

学分:A

巴扎沃夫(密歇根州立大学

),C

伯纳德(华盛顿大学

,St

路易),N

布朗(华盛顿大学

,St

路易),C

犹他大学

),A

X

埃尔-卡拉(伊利诺伊大学

,Urbana和Fermilab)等

比任何显微镜更深入地观察原子的中心,科学家们假设你会发现一个丰富的粒子世界,从真空中冒出来,衰变为其他粒子,增加了可见世界的奇异性

这些亚原子粒子受宇宙的量子性质支配,并在实验结果中找到有形的物理形式

一些亚原子粒子是一个多世纪前通过相对简单的实验首次发现的

然而,最近,对这些粒子的研究已经催生了世界上最大、最雄心勃勃、最复杂的实验,包括欧洲粒子物理实验室,如欧洲核研究组织(CERN)、伊利诺伊州费米实验室和日本高能加速器研究组织(KEK)

这些实验的任务是扩大我们对宇宙的理解,这在粒子物理的标准模型中得到了最和谐的描述;超越标准模型,寻找未知的物理学

印第安纳大学杰出的物理学教授史蒂文·戈特利布说:“标准模型解释了我们在基本粒子和核物理中观察到的许多情况,但它留下了许多未解之谜。”

“我们正试图揭开标准模型之外的神秘面纱

" 自从粒子物理研究开始以来,实验和理论方法在试图理解自然的过程中相互补充

在过去的四五十年里,高级计算已经成为这两种方法的重要组成部分

在理解亚原子粒子动物园的行为方面取得了很大的进展,包括玻色子(特别是长期寻找和最近发现的希格斯玻色子)、各种味道的夸克、胶子、μ子、中微子以及由结合在一起的夸克或反夸克组成的许多状态

量子场论是构建粒子物理标准模型的理论框架

它结合了经典场论、狭义相对论和量子力学,由爱因斯坦、狄拉克、费米、费曼和其他人的贡献发展而来

在标准模型中,量子色动力学(QCD)是夸克和胶子之间强相互作用的理论,胶子是构成质子、中子和π介子等较大复合粒子的基本粒子

透过格子窥视 卡尔顿·德塔尔(Carleton DeTar)和史蒂文·戈特利布(Steven Gottlieb)是当代QCD研究的两位主要学者,也是晶格QCD方法的实践者

晶格QCD将连续空间表示为一组离散的时空点(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,更精确地确定标准模型的几个参数,从而减少其预测的不确定性

这是一种缓慢且资源密集型的方法,但它已被证明具有广泛的适用性,让人们深入了解该理论中其他方法无法触及的部分,尤其是作用在夸克和反夸克之间的显式力

德塔尔和戈特利布是MIMD晶格计算(MILC)合作的一部分,在他们的大部分工作中与费米实验室晶格合作紧密合作

他们还与高精度量子色动力学合作研究μ子反常磁矩

作为这些努力的一部分,他们使用世界上最快的超级计算机

自2019年以来,他们一直使用德克萨斯高级计算中心(TACC)的弗龙特拉来推进他们的工作,弗龙特拉是世界上最快的学术超级计算机,也是第九快的计算机

他们是这项由国家科学基金会资助的资源的最大用户之一

该团队还使用橡树岭国家实验室的Summit(世界上第2快的超级计算机);国家能源研究科学计算中心的柯里(排名第20)和TACC的踩踏事件2(排名第25)

晶格QCD社区几十年来的努力通过结合更快的计算机和改进的算法和方法,为粒子预测带来了更高的准确性

犹他大学的物理学和天文学教授德塔尔说:“我们可以对强相互作用的工作原理进行高精度的计算和预测。”

“当我在20世纪60年代末开始读研究生时,我们的一些最佳估计在实验结果的20%以内

现在我们可以得到准确率低于100%的答案

" 在粒子物理学中,物理实验和理论是一前一后进行的,相互通知,但有时会产生不同的结果

这些差异表明需要进一步探索或改进的领域

“这些测试有些紧张,”印第安纳大学杰出的物理学教授戈特利布说

“紧张程度不足以说明这里有问题——通常的要求是至少有五个标准差

但这意味着要么你把理论和实验做得更精确,发现一致性更好;或者你去做,你会发现,‘等一下,什么是三西格玛张力,现在是五标准差张力,也许我们真的有新物理的证据

" 一元化三角形的图,标准模型的一个很好的测试,显示在ρ,η平面上的约束

阴影区域具有95%的CL,这是一种用于设置模型参数上限的统计方法

学分:A

ceccuccci(CERN),Z

利盖蒂(LBNL)和伊

酒井(KEK) 德塔尔称理论和实验之间的这些微小差异“诱人”

“他们可能在告诉我们什么

" 在过去的几年里,DeTar、Gottlieb和他们的合作者以越来越高的分辨率跟踪夸克和反夸克的路径,因为它们在胶子和虚拟夸克-反夸克对的背景云中运动,正如QCD精确规定的那样

计算结果用于确定物理上有意义的量,如粒子质量和衰变

研究人员目前采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形式来模拟夸克与胶子的相互作用

在弗龙特拉,德塔尔和戈特利布目前正在模拟网格间距为0

06毫微微米(10-15米),但他们正在迅速接近他们的最终目标0

03飞秒,晶格间距小于最重夸克波长的距离,因此从这些计算中消除了不确定性的重要来源

然而,分辨率每提高一倍,就需要增加大约两个数量级的计算能力

03飞秒晶格间距在快速接近的“十进制”范围内稳定

“随着晶格间距变小,计算成本不断上升,”德塔尔说

“对于更小的网格间距,我们正在考虑未来的能源部机器和领导级计算设施(TACC未来的规划系统)

但是我们现在可以进行推断了

" μ子的反常磁矩和其他未解之谜 德塔尔和戈特利布正在研究的现象之一是μ子(本质上是一个重电子)的反常磁矩,在量子场论中,这种磁矩是由围绕在μ子周围的一团弱基本粒子产生的

同样的云会影响粒子衰变

理论家们认为,尚未发现的基本粒子可能就在那片云中

一个名为μ介子g-2理论倡议的大型国际合作最近回顾了μ介子反常磁矩标准模型计算的现状

他们的评论发表在2020年12月的《物理报告》上

德塔尔、戈特利布和他们的几个费米实验室晶格、HPQCD和MILC合作者是合著者

他们找到一个3

7实验与理论的标准差差异

"

在宇宙的最早期,重要的过程涉及到我们在这里工作的同样的相互作用

因此,我们试图在微观世界中解决的谜团也很可能在宇宙尺度上为这些谜团提供答案

" 犹他大学物理学教授卡尔顿·德塔尔虽然理论贡献的某些部分可以极其精确地计算出来,但强子贡献(由两个或三个夸克组成并参与强相互作用的亚原子粒子类别)是最难计算的,几乎是所有理论不确定性的原因

晶格QCD是计算这些贡献的两种方法之一

他们写道:“费米实验室正在进行的新实验,以及未来的PARC实验,将很快使实验的不确定性降低四分之一。”

“这和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学证据的最有希望的地方之一

" 戈特利布、德塔尔和合作者已经计算出强子对异常磁矩的贡献,精确度为2

2%

戈特利布说:“这给了我们信心,我们的短期目标是实现对μ子反常磁矩的强子贡献达到1%的精度,现在这是一个现实的目标。”

他们希望达到0的精确度

几年后5%

新物理学的其他“诱人”线索包括测量B介子的衰变

在那里,不同的实验方法得出不同的结果

“D介子和B介子的衰变性质和混合对于更精确地确定标准模型中几个最不为人知的参数至关重要,”戈特利布说

“我们的工作是改进上夸克、下夸克、奇异夸克、魅力夸克和底夸克的质量测定,以及它们在弱衰变下的混合方式

“这种混合是通过所谓的CKM混合矩阵来描述的,小林和Maskawa因此获得了2008年诺贝尔物理学奖

德塔尔和戈特利布寻求的答案是科学中最基本的:物质是由什么组成的?又是从哪里来的? “宇宙在许多方面是紧密相连的,”德塔尔说

“我们想了解宇宙是如何开始的

目前的理解是,它始于大爆炸

在宇宙的最早期,重要的过程涉及到我们在这里工作的同样的相互作用

因此,我们试图在微观世界中解决的谜团也很可能在宇宙尺度上为这些谜团提供答案

"

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