Scruta più in profondità nel cuore dell'atomo di quanto permette qualsiasi microscopio e gli scienziati ipotizzano che troverai un mondo ricco di particelle che spuntano dentro e fuori dal vuoto, decadendo in altre particelle, e aggiungendo alla stranezza del mondo visibile. Queste particelle subatomiche sono governate dalla natura quantistica dell'Universo e trovano tangibile, forma fisica nei risultati sperimentali.

Alcune particelle subatomiche furono scoperte per la prima volta oltre un secolo fa con esperimenti relativamente semplici. Più recentemente, però, lo sforzo di comprendere queste particelle ha generato il più grande, esperimenti più ambiziosi e complessi del mondo, compresi quelli presso laboratori di fisica delle particelle come l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) in Europa, Fermilab nell'Illinois, e la High Energy Accelerator Research Organization (KEK) in Giappone.

Questi esperimenti hanno la missione di espandere la nostra comprensione dell'Universo, caratterizzato più armoniosamente nel Modello Standard della fisica delle particelle; e guardare oltre il Modello Standard per la fisica ancora sconosciuta.

"Il Modello Standard spiega molto di ciò che osserviamo nella fisica delle particelle elementari e nucleare, ma lascia molte domande senza risposta, " ha detto Steven Gottlieb, illustre professore di fisica all'Università dell'Indiana. "Stiamo cercando di svelare il mistero di ciò che sta oltre il Modello Standard".

Fin dall'inizio dello studio della fisica delle particelle, approcci sperimentali e teorici si sono completati nel tentativo di comprendere la natura. Negli ultimi quattro-cinque decenni, l'informatica avanzata è diventata una parte importante di entrambi gli approcci. Sono stati compiuti grandi progressi nella comprensione del comportamento dello zoo delle particelle subatomiche, compresi i bosoni (in particolare il bosone di Higgs a lungo cercato e scoperto di recente), vari gusti di quark, gluoni, muoni, neutrini e molti stati costituiti da combinazioni di quark o anti-quark legati insieme.

La teoria quantistica dei campi è il quadro teorico da cui è costruito il Modello Standard della fisica delle particelle. Combina la teoria dei campi classica, relatività ristretta e meccanica quantistica, sviluppato con i contributi di Einstein, Dirac, Fermi, Feynman, e altri. All'interno del Modello Standard, cromodinamica quantistica, o QCD, è la teoria dell'interazione forte tra quark e gluoni, le particelle fondamentali che costituiscono alcune delle particelle composite più grandi come il protone, neutrone e pione.

Sbirciando attraverso il reticolo

Carleton DeTar e Steven Gottlieb sono due dei principali studiosi contemporanei della ricerca sulla QCD e praticanti di un approccio noto come QCD reticolare. Lattice QCD rappresenta lo spazio continuo come un insieme discreto di punti spaziotemporali (chiamato reticolo). Usa i supercomputer per studiare le interazioni dei quark, e soprattutto, determinare con maggiore precisione alcuni parametri del Modello Standard, riducendo così le incertezze nelle sue previsioni. È un approccio lento e dispendioso in termini di risorse, ma ha dimostrato di avere ampia applicabilità, fornendo informazioni su parti della teoria inaccessibili con altri mezzi, in particolare le forze esplicite agenti tra quark e antiquark.

DeTar e Gottlieb fanno parte della collaborazione MIMD Lattice Computation (MILC) e lavorano a stretto contatto con la collaborazione Fermilab Lattice sulla stragrande maggioranza del loro lavoro. Collaborano inoltre con la collaborazione High Precision QCD (HPQCD) per lo studio del momento magnetico anomalo del muone. Come parte di questi sforzi, usano i supercomputer più veloci del mondo.

Dal 2019, hanno utilizzato Frontera presso il Texas Advanced Computing Center (TACC), il supercomputer accademico più veloce al mondo e il nono in assoluto, per dare impulso al loro lavoro. Sono tra i maggiori utilizzatori di quella risorsa, che è finanziato dalla National Science Foundation. Il team utilizza anche Summit presso l'Oak Ridge National Laboratory (il supercomputer n. 2 più veloce al mondo); Cori presso il National Energy Research Scientific Computing Center (#20), e Stampede2 (#25) al TACC, per i calcoli del reticolo.

Gli sforzi della comunità QCD reticolare nel corso di decenni hanno portato una maggiore precisione alle previsioni delle particelle attraverso una combinazione di computer più veloci e algoritmi e metodologie migliorati.

"Possiamo fare calcoli e fare previsioni con alta precisione su come funzionano le interazioni forti, " ha detto DeTar, professore di Fisica e Astronomia presso l'Università dello Utah. "Quando ho iniziato come studente laureato alla fine degli anni '60, alcune delle nostre migliori stime rientravano nel 20% dei risultati sperimentali. Ora possiamo ottenere risposte con una precisione inferiore alla percentuale".

Nella fisica delle particelle, esperimento fisico e teoria viaggiano in tandem, informarsi a vicenda, ma a volte producendo risultati diversi. Queste differenze suggeriscono aree di ulteriore esplorazione o miglioramento.

"Ci sono alcune tensioni in questi test, " disse Gottlieb, illustre professore di fisica all'Università dell'Indiana. "Le tensioni non sono abbastanza grandi per dire che c'è un problema qui:il requisito normale è di almeno cinque deviazioni standard. Ma significa che o rendi la teoria e l'esperimento più precisi e scopri che l'accordo è migliore; o lo fai e scopri, 'Apetta un minuto, quella che era la tensione tre sigma ora è una tensione a cinque deviazioni standard, e forse abbiamo davvero prove per una nuova fisica.'"

DeTar chiama "allettanti" queste piccole discrepanze tra teoria ed esperimento. "Potrebbero dirci qualcosa."

Negli ultimi anni, DeTar, Gottlieb e i loro collaboratori hanno seguito i percorsi di quark e antiquark con una risoluzione sempre maggiore mentre si muovono attraverso una nuvola di fondo di gluoni e coppie virtuali quark-antiquark, come prescritto appunto da QCD. I risultati del calcolo vengono utilizzati per determinare quantità fisicamente significative come masse di particelle e decadimenti.

Uno degli attuali approcci allo stato dell'arte applicato dai ricercatori utilizza il cosiddetto formalismo dei quark sfalsati altamente migliorati (HISQ) per simulare le interazioni dei quark con i gluoni. A Frontera, DeTar e Gottlieb stanno attualmente simulando a una spaziatura reticolare di 0,06 femtometri (10 ^-15 metri), ma si stanno rapidamente avvicinando al loro obiettivo finale di 0,03 femtometri, una distanza in cui la spaziatura del reticolo è minore della lunghezza d'onda del quark più pesante, rimuovendo di conseguenza una significativa fonte di incertezza da questi calcoli.

Ogni raddoppio di risoluzione, però, richiede circa due ordini di grandezza in più di potenza di calcolo, mettendo saldamente una spaziatura reticolare di 0,03 femtometri nel regime di "esascala" che si avvicina rapidamente.

"I costi dei calcoli continuano ad aumentare man mano che si riduce la spaziatura del reticolo, " DeTar ha detto. "Per una spaziatura reticolare più piccola, stiamo pensando alle future macchine del Dipartimento dell'Energia e alla Leadership Class Computing Facility [il futuro sistema di pianificazione di TACC]. Ma ora possiamo accontentarci delle estrapolazioni".

L'anomalo momento magnetico del muone e altri misteri eccezionali

Tra i fenomeni che DeTar e Gottlieb stanno affrontando c'è il momento magnetico anomalo del muone (essenzialmente un elettrone pesante) - che, nella teoria quantistica dei campi, nasce da una debole nube di particelle elementari che circonda il muone. Lo stesso tipo di nuvola influenza i decadimenti delle particelle. I teorici credono che particelle elementari ancora da scoprire potrebbero potenzialmente essere in quella nuvola.

Una grande collaborazione internazionale chiamata Muon g-2 Theory Initiative ha recentemente esaminato lo stato attuale del calcolo del modello standard del momento magnetico anomalo del muone. La loro recensione è apparsa in Rapporti di fisica nel dicembre 2020. DeTar, Gottlieb e molti dei loro Fermilab Lattice, I collaboratori di HPQCD e MILC sono tra i coautori. Trovano una differenza di deviazione standard di 3,7 tra esperimento e teoria.

"... i processi che erano importanti nella prima istanza dell'Universo coinvolgono le stesse interazioni con cui stiamo lavorando qui. Quindi, i misteri che stiamo cercando di risolvere nel microcosmo potrebbero benissimo fornire risposte ai misteri anche su scala cosmologica."

Carleton DeTar, Professore di Fisica, University of UtahMentre alcune parti dei contributi teorici possono essere calcolate con estrema precisione, i contributi adronici (la classe delle particelle subatomiche che sono composte da due o tre quark e partecipano ad interazioni forti) sono i più difficili da calcolare e sono responsabili della quasi totalità dell'incertezza teorica. Lattice QCD è uno dei due modi per calcolare questi contributi.

"L'incertezza sperimentale sarà presto ridotta fino a un fattore quattro dal nuovo esperimento attualmente in corso al Fermilab, e anche dal futuro esperimento J-PARC, " hanno scritto. "Questo e le prospettive per ridurre ulteriormente l'incertezza teorica nel prossimo futuro ... rendono questa quantità uno dei luoghi più promettenti per cercare prove di nuova fisica".

Gottlieb, DeTar e collaboratori hanno calcolato il contributo adronico al momento magnetico anomalo con una precisione del 2,2%. "Questo ci dà fiducia che il nostro obiettivo a breve termine di raggiungere una precisione dell'1% sul contributo adronico al momento magnetico anomalo del muone è ora realistico, " ha detto Gottlieb. Sperano di raggiungere una precisione dello 0,5 percento qualche anno dopo.

Altri accenni "allettanti" alla nuova fisica riguardano le misurazioni del decadimento dei mesoni B. Là, vari metodi sperimentali arrivano a risultati diversi. "Le proprietà di decadimento e le miscele dei mesoni D e B sono fondamentali per una determinazione più accurata di molti dei parametri meno noti del Modello Standard, " Gottlieb ha detto. "Il nostro lavoro sta migliorando le determinazioni delle masse del up, fuori uso, strano, charm e quark bottom e come si mescolano sotto decadimenti deboli." La miscelazione è descritta dalla cosiddetta matrice di miscelazione CKM per la quale Kobayashi e Maskawa hanno vinto il Premio Nobel per la Fisica nel 2008.

Le risposte che DeTar e Gottlieb cercano sono le più fondamentali nella scienza:di cosa è fatta la materia? E da dove veniva?

"L'Universo è molto connesso in molti modi, " ha detto DeTar. "Vogliamo capire come è iniziato l'Universo. L'attuale comprensione è che è iniziata con il Big Bang. E i processi che erano importanti nella prima istanza dell'Universo implicano le stesse interazioni con cui stiamo lavorando qui. Così, i misteri che stiamo cercando di risolvere nel microcosmo potrebbero benissimo fornire risposte ai misteri anche su scala cosmologica."