Due decenni fa, un esperimento presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha individuato una misteriosa discrepanza tra la teoria della fisica delle particelle consolidata e le misurazioni effettive di laboratorio. Quando i ricercatori hanno misurato il comportamento di una particella subatomica chiamata muone, i risultati non concordavano con i calcoli teorici, ponendo una potenziale sfida al Modello Standard, la nostra attuale comprensione di come funziona l'universo.

Da allora, scienziati di tutto il mondo hanno cercato di verificare questa discrepanza e determinarne il significato. La risposta potrebbe sostenere il Modello Standard, che definisce tutte le particelle subatomiche conosciute e come interagiscono, o introdurre la possibilità di una fisica del tutto sconosciuta. Un team di ricerca multi-istituzionale (tra cui Brookhaven, Università della Columbia, e le università del Connecticut, Nagoya e Ratisbona, RIKEN) hanno utilizzato il supercomputer Mira dell'Argonne National Laboratory per aiutare a restringere le possibili spiegazioni per la discrepanza, fornendo un nuovo calcolo teorico preciso che perfeziona un pezzo di questo puzzle molto complesso. Il lavoro, finanziato in parte dall'Office of Science del DOE attraverso i suoi programmi di Office of High Energy Physics e Advanced Scientific Computing Research, è stato pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica .

Un muone è una versione più pesante dell'elettrone e ha la stessa carica elettrica. La misura in questione è del momento magnetico del muone, che definisce come la particella oscilla quando interagisce con un campo magnetico esterno. Il precedente esperimento di Brookhaven, noto come Muon g-2, ha esaminato i muoni mentre interagivano con un anello di immagazzinamento di elettromagneti di 50 piedi di diametro. I risultati sperimentali si sono discostati dal valore previsto dalla teoria di una quantità estremamente piccola misurata in parti per milione, ma nell'ambito del Modello Standard, una tale differenza è abbastanza grande da essere notevole.

"Se si considerano le incertezze sia nei calcoli che nelle misurazioni, non possiamo dire se questa è una vera discrepanza o solo una fluttuazione statistica, " ha detto Thomas Blum, un fisico dell'Università del Connecticut che è stato coautore del documento. "Quindi sia gli sperimentali che i teorici stanno cercando di migliorare la nitidezza dei loro risultati".

Come Taku Izubuchi, un fisico del Brookhaven Lab che è coautore del documento, notato, "I fisici hanno cercato di capire il momento magnetico anomalo del muone confrontando precisi calcoli teorici ed esperimenti accurati fin dagli anni '40. Questa sequenza di lavoro ha portato a molte scoperte nella fisica delle particelle e continua ad espandere i limiti delle nostre conoscenze e capacità in sia teoria che esperimento."

Se la discrepanza tra i risultati sperimentali e le previsioni teoriche è davvero reale, ciò significherebbe che qualche altro fattore, forse qualche particella ancora da scoprire, sta causando il comportamento del muone in modo diverso dal previsto, e il Modello Standard dovrebbe essere rivisto.

Il lavoro del team si è concentrato su un aspetto notoriamente difficile dell'anomalia che coinvolge la forza forte, che è una delle quattro forze fondamentali in natura che governano il modo in cui interagiscono le particelle, insieme a debole, elettromagnetico, e forza gravitazionale. Le maggiori incertezze nei calcoli dei muoni provengono da particelle che interagiscono attraverso la forza forte, noti come contributi adronici. Questi contributi adronici sono definiti da una teoria chiamata cromodinamica quantistica (QCD).

I ricercatori hanno utilizzato un metodo chiamato QCD reticolare per analizzare un tipo di contributo adronico, diffusione luce per luce. "Per fare il calcolo, simuliamo il campo quantistico in una piccola scatola cubica che contiene il processo di diffusione luce per luce che ci interessa, " ha detto Luhang Jin, un fisico presso l'Università del Connecticut e coautore di articoli. "Possiamo facilmente ritrovarci con milioni di punti nel tempo e nello spazio nella simulazione".

È qui che entra in gioco Mira. Il team ha usato il supercomputer, ospitato presso l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), per risolvere le complesse equazioni matematiche della QCD, che codificano tutte le possibili interazioni forti con il muone. L'ALCF, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, Mira recentemente in pensione per fare spazio al più potente supercomputer Aurora, un sistema exascale previsto per il 2021.

"Mira era l'ideale per questo lavoro, " ha detto James Osborn, uno scienziato computazionale con l'ALCF e la divisione di Scienze computazionali di Argonne. "Con quasi 50, 000 nodi collegati da una rete velocissima, il nostro sistema massicciamente parallelo ha permesso al team di eseguire grandi simulazioni in modo molto efficiente."

Dopo quattro anni di calcoli eseguiti su Mira, i ricercatori hanno prodotto il primo risultato in assoluto per il contributo della diffusione adronica luce per luce al momento magnetico anomalo del muone, controllo di tutti gli errori.

"Per molto tempo, molte persone hanno pensato a questo contributo, perché era così impegnativo, spiegherebbe la discrepanza, " ha detto Blum. "Ma abbiamo scoperto che le stime precedenti non erano lontane, e che il valore reale non può spiegare la discrepanza."

Nel frattempo, una nuova versione dell'esperimento Muon g-2 è in corso presso il Fermi National Accelerator Laboratory, con l'obiettivo di ridurre l'incertezza sul lato sperimentale di un fattore quattro. Questi risultati aggiungeranno ulteriori informazioni al lavoro teorico svolto ora.

"Per quanto ne sappiamo, la discrepanza è ancora presente, " Blum ha detto. "Stiamo aspettando di vedere se i risultati insieme indicano una nuova fisica, o se l'attuale Modello Standard è ancora la migliore teoria che abbiamo per spiegare la natura".