Le particelle elementari della nuova fisica teorica devono essere così massicce che la loro rilevazione nell'LHC, il più grande acceleratore moderno, non sarà possibile. Questa è la conclusione pessimistica della revisione più completa dei dati osservativi di molti esperimenti scientifici e del loro confronto con diverse varietà popolari di teoria della supersimmetria. Il complicato, analisi estremamente impegnative dal punto di vista computazionale, realizzato dalla collaborazione internazionale GAMBIT, lascia un'ombra di speranza per i ricercatori.

GAMBIT è lo strumento di inferenza globale e modulare oltre il modello standard. I ricercatori ora si stanno chiedendo se sia possibile per LHC rilevare le particelle elementari proposte per spiegare misteri come la natura della materia oscura e la mancanza di simmetria tra materia e antimateria. Per rispondere a questa domanda, GAMBIT analizza in modo completo i dati raccolti durante le corse di LHC. I primi risultati, che sono piuttosto intriganti per i fisici, sono appena stati pubblicati su European Physical Journal C . L'Istituto di Fisica Nucleare dell'Accademia Polacca delle Scienze (IFJ PAN) di Cracovia ha partecipato ai lavori dell'équipe.

I fisici teorici sono convinti che il Modello Standard, il corrente, teoria ben verificata della struttura della materia, ha bisogno di essere ampliato. Un forte indizio dell'esistenza di particelle elementari sconosciute è il movimento delle stelle nelle galassie. L'astronomo polacco Marian Kowalski fu il primo a studiare le caratteristiche statistiche di questi movimenti. Nel 1859, scoprì che i movimenti delle stelle vicine a noi non possono essere spiegati dal movimento del sole stesso. Questa fu la prima indicazione della rotazione della Via Lattea (Kowalski è quindi l'uomo che "sposta l'intera galassia dalle sue fondamenta"). Nel 1933, l'astrofisico svizzero Fritz Zwicky fece il passo successivo. Dalla sua osservazione delle galassie nell'ammasso Coma, concluse che si muovono intorno agli ammassi come se lì ci fosse una grande quantità di materia invisibile.

Sebbene sia passato quasi un secolo dalla scoperta di Zwicky, non è ancora possibile indagare sulla composizione della materia oscura, né per confermare inequivocabilmente la sua esistenza. In questo periodo, i teorici hanno costruito molte estensioni del Modello Standard contenenti particelle più o meno esotiche. Molti di questi sono candidati per la materia oscura. La famiglia delle teorie supersimmetriche è popolare, Per esempio. Qui, alcuni nuovi equivalenti di particelle note che sono massicce e interagiscono debolmente con la materia ordinaria costituiscono materia oscura. Naturalmente, molti gruppi di fisici sperimentali sono anche alla ricerca di tracce di tale nuova fisica. Ognuno di loro, sulla base di ipotesi teoriche, svolge un determinato progetto di ricerca, e poi si occupa dell'analisi e dell'interpretazione dei dati che ne derivano. Questo è quasi sempre fatto nel contesto di uno, di solito piuttosto stretto, campo della fisica, e una teoria per ciò che potrebbe essere al di là del Modello Standard.

"L'idea della collaborazione GAMBIT è quella di creare strumenti per analizzare i dati dal maggior numero possibile di esperimenti, provenienti da diverse aree della fisica, e di confrontarli molto da vicino con le previsioni di nuove teorie. Guardando in modo completo, è possibile restringere le aree di ricerca della nuova fisica molto più velocemente, e nel tempo eliminare anche quei modelli le cui previsioni non sono state confermate nelle misurazioni, " spiega il dott. Marcin Chrzaszcz (IFJ PAN).

L'idea di costruire una serie di strumenti software modulari per l'analisi globale dei dati osservativi da esperimenti fisici è nata nel 2012 a Melbourne durante una conferenza internazionale sulla fisica delle alte energie. Attualmente, il gruppo GAMBIT comprende più di 30 ricercatori provenienti da istituzioni scientifiche in Australia, Francia, Spagna, Paesi Bassi, Canada, Norvegia, Polonia, gli Stati Uniti, Svizzera, Svezia e Gran Bretagna. Il dottor Chrzaszcz si è unito al team GAMBIT tre anni fa per sviluppare strumenti per modellare la fisica dei quark massicci, con particolare riferimento ai quark di bellezza (di solito questo campo della fisica ha un nome molto più accattivante:fisica dei sapori pesanti).

La verifica delle nuove proposte di fisica avviene nella collaborazione GAMBIT come segue:Gli scienziati scelgono un modello teorico e lo costruiscono nel software. Il programma esegue quindi la scansione dei valori dei principali parametri del modello. Per ogni set di parametri, le previsioni vengono calcolate e confrontate con i dati degli esperimenti.

"In pratica, niente è banale qui. Ci sono modelli in cui abbiamo fino a 128 parametri liberi. Immagina di eseguire la scansione in uno spazio di 128 dimensioni:è qualcosa che uccide ogni computer. Perciò, all'inizio, ci siamo limitati a tre versioni di modelli supersimmetrici più semplici, noto con le sigle CMSSM, NUHM1 e NUHM2. ne hanno cinque, sei e sette parametri liberi, rispettivamente. Ma comunque le cose si complicano, perché, Per esempio, conosciamo solo alcuni degli altri parametri del Modello Standard con una certa precisione. Perciò, devono essere trattati anche come parametri liberi, cambiando solo in misura minore rispetto ai nuovi parametri fisici, " dice il dottor Chrzaszcz.

La portata della sfida è meglio dimostrata dal tempo totale impiegato per tutti i calcoli della collaborazione GAMBIT fino ad oggi. Sono stati eseguiti sul supercomputer Prometheus, uno dei computer più veloci al mondo. Il dispositivo, operante presso l'Academic Computer Center CYFRONET dell'Università della Scienza e della Tecnologia di Cracovia, ha più di 53, 000 core di elaborazione e una potenza di calcolo totale di 2, 399 teraflop (un milione di milioni di operazioni in virgola mobile al secondo). Nonostante l'uso di apparecchiature così potenti, il tempo totale di lavoro dei nuclei della Collaborazione GAMBIT è stato di 80 milioni di ore (oltre 9, 100 anni).

"Calcoli così lunghi sono, tra l'altro, conseguenza della diversità dei dati misurati. Per esempio, i gruppi dei principali esperimenti dell'LHC pubblicano esattamente i risultati misurati dai rivelatori. Ma ogni rivelatore distorce in qualche modo ciò che vede. Prima di confrontare i dati con le previsioni del modello in fase di verifica, le distorsioni introdotte dal rivelatore devono essere rimosse da essi, " spiega il dottor Chrzaszcz, e aggiunge, "Dal lato dell'astrofisica, dobbiamo eseguire una procedura simile. Per esempio, dovrebbero essere effettuate simulazioni su come i nuovi fenomeni fisici influenzerebbero il comportamento dell'alone galattico della materia oscura".

Per i ricercatori di nuova fisica, la collaborazione GAMBIT non porta le migliori notizie. Le analisi suggeriscono che se esistono le particelle supersimmetriche previste dai modelli studiati, le loro masse devono essere dell'ordine di molti teraelettronvolt (in fisica delle particelle la massa delle particelle è data in unità di energia, un elettronvolt corrisponde all'energia necessaria per spostare l'elettrone tra punti con una differenza di potenziale di un volt). In pratica, ciò significa che vedere tali particelle all'LHC sarà molto difficile o addirittura impossibile. Ma c'è anche un'ombra di speranza. Alcune superparticelle, neutrali, charginos, staus e si ferma, pur avendo masse piuttosto grandi, non superare un teraelettronvolt. Con un po' di fortuna, la loro rilevazione nell'LHC rimane possibile. Sfortunatamente, in questo gruppo, solo il neutralino è considerato un potenziale candidato per la materia oscura.

A differenza di molti altri strumenti di ricerca analitica, i codici di tutti i moduli GAMBIT sono pubblicamente disponibili sul sito web del progetto e possono essere rapidamente adattati all'analisi di nuovi modelli teorici. I ricercatori della GAMBIT Collaboration sperano che l'apertura del codice accelererà la ricerca di nuova fisica.