Nella loro ricerca per scoprire di cosa è fatto l'universo, I ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) stanno sfruttando la potenza dei supercomputer per fare previsioni sulle interazioni tra particelle più precise che mai.

I ricercatori di Argonne hanno sviluppato un nuovo approccio teorico, ideale per sistemi informatici ad alte prestazioni, che è in grado di fare calcoli predittivi sulle interazioni tra particelle che si conformano quasi esattamente ai dati sperimentali. Questo nuovo approccio potrebbe fornire agli scienziati uno strumento prezioso per descrivere la nuova fisica e le particelle oltre a quelle attualmente identificate.

Il framework effettua previsioni basate sul Modello Standard, la teoria che descrive la fisica dell'universo al meglio delle nostre conoscenze. I ricercatori sono ora in grado di confrontare i dati sperimentali con le previsioni generate attraverso questo framework, per scoprire potenzialmente discrepanze che potrebbero indicare l'esistenza di nuova fisica oltre il Modello Standard. Una tale scoperta rivoluzionerebbe la nostra comprensione della natura alle più piccole scale di lunghezza misurabili.

"Finora, il Modello Standard della fisica delle particelle ha avuto molto successo nel descrivere le interazioni tra particelle che abbiamo visto sperimentalmente, ma sappiamo che ci sono cose che questo modello non descrive completamente. Non conosciamo l'intera teoria, " ha detto il teorico di Argonne Radja Boughezal, che ha sviluppato il quadro con il suo team.

"Il primo passo per scoprire la teoria completa e nuovi modelli comporta la ricerca di deviazioni rispetto alla fisica che conosciamo in questo momento. La nostra speranza è che ci sia una deviazione, perché significherebbe che c'è qualcosa che non capiamo là fuori, " lei disse.

Il metodo teorico sviluppato dal team Argonne è attualmente in fase di implementazione su Mira, uno dei supercomputer più veloci al mondo, che è ospitato presso l'Argonne Leadership Computing Facility, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

Usando Mira, i ricercatori stanno applicando il nuovo quadro per analizzare la produzione di energia mancante in associazione con un jet, un'interazione tra particelle di particolare interesse per i ricercatori del Large Hadron Collider (LHC) in Svizzera.

I fisici dell'LHC stanno tentando di produrre nuove particelle che sono note per esistere nell'universo ma che devono ancora essere viste in laboratorio, come la materia oscura che comprende un quarto della massa e dell'energia dell'universo.

Sebbene oggi gli scienziati non abbiano modo di osservare direttamente la materia oscura - da cui il suo nome - credono che la materia oscura potrebbe lasciare un'"impronta energetica mancante" sulla scia di una collisione che potrebbe indicare la presenza di nuove particelle non incluse nel Modello Standard. Queste particelle interagirebbero molto debolmente e quindi sfuggirebbero al rilevamento all'LHC. La presenza di un "jet", uno spruzzo di particelle del Modello Standard derivanti dalla rottura dei protoni che si scontrano all'LHC, taggherebbe la presenza della materia oscura altrimenti invisibile.

Nei rivelatori di LHC, però, la produzione di un particolare tipo di interazione, chiamato processo del bosone Z più getto, può imitare la stessa firma del segnale potenziale che deriverebbe da particelle di materia oscura ancora sconosciute. Boughezal e i suoi colleghi stanno usando la loro nuova struttura per aiutare i fisici di LHC a distinguere tra il bosone Z più la firma del getto prevista nel Modello standard da altri potenziali segnali.

I precedenti tentativi di utilizzare calcoli meno precisi per distinguere i due processi avevano così tanta incertezza che semplicemente non erano utili per poter tracciare le sottili distinzioni matematiche che potrebbero potenzialmente identificare un nuovo segnale di materia oscura.

"Solo calcolando il processo del bosone Z più il getto in modo molto preciso possiamo determinare se la firma è effettivamente ciò che prevede il Modello Standard, o se i dati indicano la presenza di qualcosa di nuovo, " ha detto Francesco Petriello, un altro teorico di Argonne che ha contribuito a sviluppare il quadro. "Questo nuovo framework apre le porte all'utilizzo del bosone Z più la produzione di getti come strumento per scoprire nuove particelle oltre il modello standard".

Le applicazioni di questo metodo vanno ben oltre gli studi del bosone Z più il getto. Il quadro avrà un impatto non solo sulla ricerca presso l'LHC, ma anche studi sui futuri collisori che avranno sempre più precisi, dati di alta qualità, Dissero Boughezal e Petriello.

"Questi esperimenti sono diventati così precisi, e gli sperimentatori sono ora in grado di misurare le cose così bene, che è diventato necessario disporre di questi tipi di strumenti di alta precisione per capire cosa sta succedendo in queste collisioni, " Disse Boughezal.

"Siamo anche così fortunati ad avere supercomputer come Mira perché ora è il momento in cui abbiamo bisogno di queste potenti macchine per raggiungere il livello di precisione che stiamo cercando; senza di loro, questo lavoro non sarebbe possibile".