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    Gli scienziati nucleari calcolano il valore della proprietà chiave che guida il decadimento dei neutroni

    In questa illustrazione, la griglia sullo sfondo rappresenta il reticolo computazionale utilizzato dai fisici teorici per calcolare una proprietà delle particelle nota come accoppiamento assiale del nucleone. Questa proprietà determina come un bosone W (linea bianca ondulata) interagisce con uno dei quark in un neutrone (grande sfera trasparente in primo piano), emettendo un elettrone (freccia grande) e un antineutrino (freccia tratteggiata) in un processo chiamato decadimento beta. Questo processo trasforma il neutrone in un protone (sfera trasparente distante). Credito:Evan Berkowitz/ Centro di ricerca Jülich, Lawrence Livermore National Laboratory

    Utilizzando alcuni dei supercomputer più potenti del mondo, un team internazionale che comprende scienziati di diversi laboratori nazionali del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha rilasciato il calcolo di massima precisione di una proprietà fondamentale di protoni e neutroni nota come accoppiamento assiale del nucleone. Questa quantità determina la forza dell'interazione che innesca il decadimento dei neutroni in protoni e può quindi essere utilizzata per prevedere in modo più accurato per quanto tempo dovrebbero "vivere" i neutroni. I risultati vengono visualizzati in Natura .

    "Il fatto che i neutroni decadano in protoni è molto, fatto molto importante nell'universo, " disse Enrico Rinaldi, uno speciale ricercatore post-dottorato presso il RIKEN BNL Research Center presso il Brookhaven National Laboratory del DOE, che è stato coinvolto nello sviluppo di simulazioni essenziali per il nuovo calcolo. "Fondamentalmente ti dice come i nuclei atomici, fatti di protoni e neutroni, sono stati creati dopo il Big Bang".

    La vita dei neutroni influisce anche sull'abbondanza relativa di atomi come l'idrogeno e l'elio nell'universo odierno, e come quell'equilibrio influenzerà la formazione delle stelle future.

    Il nuovo calcolo potrebbe anche aiutare gli scienziati a determinare quale dei due approcci per misurare sperimentalmente la durata dei neutroni è più accurato e se la discrepanza di diversi secondi tra i due potrebbe potenzialmente indicare l'esistenza di particelle ancora da scoprire.

    Lo sforzo per calcolare l'accoppiamento assiale, guidato da André Walker-Loud del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del DOE, risorse informatiche utilizzate presso il Lawrence Livermore National Laboratory e l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE presso l'Oak Ridge National Laboratory del DOE.

    "Questo è stato un intenso progetto di due anni e mezzo che è nato solo grazie alla grande squadra di persone che ci hanno lavorato, "Ha detto Walker-Loud.

    Dettagli del decadimento dei neutroni

    Quando pensi agli atomi che costituiscono la sostanza del nostro mondo oggi, probabilmente pensi ai neutroni come relativamente stabili. Una scrivania di legno, fatto di tanti atomi di carbonio, Per esempio, non sembra decadere in modo apprezzabile.

    Ma se tirassi fuori un neutrone isolato da uno di quegli atomi di carbonio, si trasformerebbe in un protone, in media, in meno di 15 minuti.

    Il processo che fa sì che ciò accada è un'interazione quantomeccanica tra particelle esterne chiamate bosoni W con i mattoni interni del neutrone, noti come quark e gluoni. Questa interazione cambia l'identità di uno dei quark costituenti e quindi l'identità complessiva della particella.

    Ma questa è un'immagine troppo semplicistica, disse Rinaldi. "Questo è ciò che accadrebbe ad energie molto elevate dove possiamo approssimare i quark e i gluoni come oggetti liberi".

    Nel mondo reale, a energia più bassa, quark e gluoni sono confinati, o legati insieme all'interno di particelle come protoni e neutroni, Rinaldi ha spiegato. E quei quark e gluoni interagiscono fortemente tra loro in una miriade di modi.

    "Non possiamo dire esattamente quali siano le velocità e le posizioni di tutti i costituenti all'interno del neutrone. È un fascio quantomeccanico di quark e gluoni e le loro interazioni, " ha detto Rinaldi. La forza dell'interazione del bosone W che innesca il decadimento del neutrone dipende da un valore determinato dalla somma composita di tutte quelle interazioni interne.

    "Ciò che vede il bosone W è la costante di accoppiamento assiale del nucleone, un numero che parametrizza tutte le interazioni che il bosone W potrebbe avere con i costituenti all'interno del neutrone, " ha detto Rinaldi.

    Esecuzione dell'esperimento di supercalcolo

    Per calcolare la costante di accoppiamento assiale, o g?A, i fisici usano potenti supercomputer per risolvere le equazioni della cromodinamica quantistica (QCD), la teoria della forza nucleare forte, che governa il modo in cui interagiscono quark e gluoni. Queste equazioni complesse possono essere viste come contenenti più di un milione di variabili che spiegano tutte le possibili interazioni all'interno del brulicante microcosmo di un neutrone. Sarebbe impossibile risolverli senza una tecnica nota come QCD reticolare. Lattice QCD posiziona le particelle in punti discreti su un'immaginaria griglia quadridimensionale dello spaziotempo (tre dimensioni spaziali più il tempo) per calcolare una per una tutte le possibili interazioni delle particelle adiacenti, e poi li combina in un risultato finale.

    La parte computazionale complessiva è abbastanza semplice, Rinaldi ha detto sottolineando ancora una volta che questa è una visione molto semplificata:"Hai un computer e un codice che risolve le equazioni. Esegui il codice sul computer, fare analisi, ed estrarre il risultato. È un po' come fare un esperimento perché ci sono molti passaggi e parti, analoghi a un acceleratore di particelle, i suoi rivelatori, le collisioni, e la raccolta dei dati, e dobbiamo controllare ognuno di questi passaggi".

    Uno dei ruoli di Rinaldi era creare input per l'"esperimento", una serie di simulazioni che includevano ciascuna una massa diversa per il neutrone. Gonfiare artificialmente la massa del neutrone rende più facile lavorare con le equazioni, Lui ha spiegato.

    "Gli algoritmi diventano sempre più difficili da usare, richiede più tempo di calcolo per risolvere, mentre cerchi di analizzare cosa succede nel mondo reale. Avremmo enormi barre di errore. Ma se modifichi artificialmente l'input delle equazioni, rendi i neutroni più massicci, ciò rende più facile il calcolo. Possiamo ottenere un risultato molto accurato per ciascuno di questi calcoli a masse più elevate, e poi metti insieme i risultati per estrapolare alle condizioni del mondo reale, " Egli ha detto.

    Ridurre il rumore per estrarre il segnale

    Ma cambiare l'input può fare solo così tanto. Il più grande salto di precisione del team guidato dal Berkeley Lab (rispetto ad altri gruppi che hanno utilizzato metodi simili per calcolare g?A) è venuto dai miglioramenti al "rilevatore, " ha detto Rinaldi.

    Il team era interessato alle proprietà del neutrone, Lui ha spiegato. Ma le interazioni quantomeccaniche di quark e gluoni possono anche generare "stati eccitati" che sembrano neutroni ma non sono neutroni. Questi stati eccitati generano "rumore" che contamina il segnale. Il team del Berkeley Lab ha scoperto come filtrare il rumore per produrre un risultato che, per la prima volta, raggiunto la soglia di precisione dell'uno per cento che è uno standard di riferimento per i calcoli QCD reticolari.

    "Quando si misura l'accoppiamento assiale, il rapporto segnale-rumore degrada esponenzialmente più a lungo viaggia il neutrone, " disse Chia Cheng "Jason" Chang, un postdoc al Berkeley Lab che ha guidato l'analisi. "I calcoli passati sono stati tutti eseguiti in questo ambiente più rumoroso".

    "Abbiamo trovato un modo per estrarre la misurazione prima che il rumore prenda il sopravvento e rovini l'esperimento, " ha detto Rinaldi.

    Gli scienziati hanno già utilizzato il nuovo calcolo dell'accoppiamento assiale del nucleone per ricavare una previsione puramente teorica della durata del neutrone. Proprio adesso, questo nuovo valore è coerente con i risultati di entrambi i tipi di misurazione sperimentale, che differiscono di soli 9 secondi.

    "Abbiamo un numero per la durata dei neutroni:14 minuti e 40 secondi con una barra di errore di 14 secondi. Questo è proprio nel mezzo dei valori misurati dai due tipi di esperimenti, con una barra di errore grande e sovrapposta a entrambe, " ha detto Rinaldi.

    Con più statistiche da supercomputer più potenti, il team di ricerca spera di ridurre il margine di incertezza a circa lo 0,3 percento. "È qui che possiamo effettivamente iniziare a discriminare tra i risultati dei due diversi metodi sperimentali di misurazione della durata dei neutroni, "Ha detto Chang. "Questa è sempre la parte più eccitante:quando la teoria ha qualcosa da dire sull'esperimento".

    In definitiva, Rinaldi ha detto questo e altri calcoli abilitati dalla tecnica computazionale del team potrebbero migliorare la nostra comprensione di protoni e neutroni, e aiuta a rispondere ad altre domande in sospeso sulla fisica nucleare, materia oscura, e la natura dell'universo.

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