Dans leur quête pour découvrir de quoi est fait l'univers, des chercheurs du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) exploitent la puissance des superordinateurs pour faire des prédictions sur les interactions des particules qui sont plus précises que jamais.

Les chercheurs d'Argonne ont développé une nouvelle approche théorique, idéal pour les systèmes de calcul haute performance, qui est capable de faire des calculs prédictifs sur les interactions de particules qui se conforment presque exactement aux données expérimentales. Cette nouvelle approche pourrait donner aux scientifiques un outil précieux pour décrire une nouvelle physique et des particules au-delà de celles actuellement identifiées.

Le cadre fait des prédictions basées sur le modèle standard, la théorie qui décrit la physique de l'univers au meilleur de notre connaissance. Les chercheurs sont désormais en mesure de comparer les données expérimentales avec les prédictions générées par ce cadre, pour découvrir potentiellement des divergences qui pourraient indiquer l'existence d'une nouvelle physique au-delà du modèle standard. Une telle découverte révolutionnerait notre compréhension de la nature aux plus petites échelles de longueur mesurables.

"Jusque là, le modèle standard de la physique des particules a très bien réussi à décrire les interactions de particules que nous avons observées expérimentalement, mais nous savons qu'il y a des choses que ce modèle ne décrit pas complètement. Nous ne connaissons pas toute la théorie, " a déclaré le théoricien d'Argonne Radja Boughezal, qui a développé le cadre avec son équipe.

"La première étape pour découvrir la théorie complète et les nouveaux modèles consiste à rechercher des écarts par rapport à la physique que nous connaissons actuellement. Notre espoir est qu'il y ait une déviation, parce que cela voudrait dire qu'il y a quelque chose que nous ne comprenons pas là-bas, " elle a dit.

La méthode théorique développée par l'équipe Argonne est en cours de déploiement sur Mira, l'un des supercalculateurs les plus rapides au monde, qui est hébergé à l'Argonne Leadership Computing Facility, une installation utilisateur du DOE Office of Science.

En utilisant Mira, les chercheurs appliquent le nouveau cadre pour analyser la production d'énergie manquante en association avec un jet, une interaction particulaire qui intéresse particulièrement les chercheurs du Large Hadron Collider (LHC) en Suisse.

Les physiciens du LHC tentent de produire de nouvelles particules connues pour exister dans l'univers mais qui n'ont pas encore été vues en laboratoire, comme la matière noire qui comprend un quart de la masse et de l'énergie de l'univers.

Bien que les scientifiques n'aient aucun moyen aujourd'hui d'observer directement la matière noire - d'où son nom - ils pensent que la matière noire pourrait laisser une "empreinte énergétique manquante" à la suite d'une collision qui pourrait indiquer la présence de nouvelles particules non incluses dans le modèle standard. Ces particules interagiraient très faiblement et échapperaient donc à la détection au LHC. La présence d'un "jet", une gerbe de particules du modèle standard résultant de la rupture des protons entrant en collision au LHC, marquerait la présence de la matière noire autrement invisible.

Dans les détecteurs du LHC, cependant, la production d'un type particulier d'interaction, appelé processus boson Z plus jet, peut imiter la même signature que le signal potentiel qui résulterait de particules de matière noire encore inconnues. Boughezal et ses collègues utilisent leur nouveau cadre pour aider les physiciens du LHC à distinguer la signature du boson Z et du jet prédite dans le modèle standard d'autres signaux potentiels.

Les tentatives précédentes utilisant des calculs moins précis pour distinguer les deux processus avaient tellement d'incertitude qu'elles n'étaient tout simplement pas utiles pour pouvoir établir les distinctions mathématiques fines qui pourraient potentiellement identifier un nouveau signal de matière noire.

"Ce n'est qu'en calculant très précisément le processus du boson Z et du jet que nous pouvons déterminer si la signature correspond bien à ce que prédit le modèle standard, ou si les données indiquent la présence de quelque chose de nouveau, " a déclaré Frank Petriello, un autre théoricien d'Argonne qui a aidé à développer le cadre. "Ce nouveau cadre ouvre la porte à l'utilisation du boson Z plus la production de jets comme outil pour découvrir de nouvelles particules au-delà du modèle standard."

Les applications de cette méthode vont bien au-delà des études du boson Z plus jet. Le cadre aura un impact non seulement sur la recherche au LHC, mais aussi des études sur les futurs collisionneurs qui auront de plus en plus de précision, des données de haute qualité, Boughezal et Petriello ont dit.

"Ces expériences sont devenues si précises, et les expérimentateurs sont maintenant capables de mesurer si bien les choses, qu'il est devenu nécessaire d'avoir ce type d'outils de haute précision pour comprendre ce qui se passe dans ces collisions, " a déclaré Boughezal.

« Nous avons aussi beaucoup de chance d'avoir des superordinateurs comme Mira, car c'est maintenant le moment où nous avons besoin de ces puissantes machines pour atteindre le niveau de précision que nous recherchons ; sans eux, ce travail ne serait pas possible."