En utilisant certains des supercalculateurs les plus puissants au monde, une équipe internationale comprenant des scientifiques de plusieurs laboratoires nationaux du département américain de l'Énergie (DOE) a publié le calcul de la plus haute précision d'une propriété fondamentale des protons et des neutrons connue sous le nom de couplage axial des nucléons. Cette quantité détermine la force de l'interaction qui déclenche la désintégration des neutrons en protons et peut donc être utilisée pour prédire avec plus de précision combien de temps les neutrons devraient « vivre ». Les résultats apparaissent dans La nature .

"Le fait que les neutrons se désintègrent en protons est très, fait très important dans l'univers, " a déclaré Enrico Rinaldi, un chercheur postdoctoral spécial au centre de recherche RIKEN BNL du laboratoire national de Brookhaven du DOE, qui a participé à l'élaboration des simulations essentielles au nouveau calcul. "Cela vous dit essentiellement comment les noyaux atomiques, constitués de protons et de neutrons, ont été créés après le Big Bang."

La durée de vie des neutrons a également une incidence sur l'abondance relative d'atomes comme l'hydrogène et l'hélium dans l'univers aujourd'hui, et comment cet équilibre affectera la formation des futures étoiles.

Le nouveau calcul pourrait également aider les scientifiques à déterminer laquelle des deux approches pour mesurer expérimentalement la durée de vie des neutrons est la plus précise et si l'écart de plusieurs secondes entre les deux pourrait potentiellement indiquer l'existence de particules à découvrir.

L'effort pour calculer le couplage axial, dirigé par André Walker-Loud du Lawrence Berkeley National Laboratory du DOE (Berkeley Lab), utilisé les ressources informatiques du Lawrence Livermore National Laboratory et de l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE au laboratoire national d'Oak Ridge du DOE.

« Ce fut un projet intense de deux ans et demi qui n'a vu le jour que grâce à la grande équipe de personnes qui y travaillent, " a déclaré Walker-Loud.

Détails de la désintégration des neutrons

Quand vous pensez aux atomes qui composent notre monde aujourd'hui, vous pensez probablement que les neutrons sont relativement stables. Un bureau en bois, fait de beaucoup d'atomes de carbone, par exemple, ne semble pas se dégrader de manière appréciable.

Mais si vous retirez un neutron isolé d'un de ces atomes de carbone, il se transformerait en proton, en moyenne, en moins de 15 minutes.

Le processus qui permet cela est une interaction mécanique quantique entre des particules externes appelées bosons W et les éléments constitutifs internes du neutron, appelés quarks et gluons. Cette interaction modifie l'identité de l'un des quarks constitutifs et donc l'identité globale de la particule.

Mais c'est une image trop simpliste, dit Rinaldi. "C'est ce qui se passerait à très haute énergie où nous pouvons approximer les quarks et les gluons en tant qu'objets libres."

Dans le monde réel, à plus faible énergie, les quarks et les gluons sont confinés, ou liés ensemble au sein de particules comme les protons et les neutrons, expliqua Rinaldi. Et ces quarks et gluons interagissent fortement les uns avec les autres de multiples façons.

"Nous ne pouvons pas dire exactement quelles sont les vitesses et les positions de tous les constituants à l'intérieur du neutron. C'est un faisceau de mécanique quantique de quarks et de gluons et les interactions entre eux, " a déclaré Rinaldi. La force de l'interaction du boson W qui déclenche la désintégration des neutrons dépend d'une valeur déterminée par la somme composite de toutes ces interactions internes.

"Ce que le boson W voit, c'est la constante de couplage axial du nucléon, un nombre qui paramètre toutes les interactions que le boson W pourrait avoir avec les constituants à l'intérieur du neutron, ", a déclaré Rinaldi.

Exécuter l'expérience de calcul intensif

Pour calculer la constante de couplage axial, ou g?A, les physiciens utilisent de puissants superordinateurs pour résoudre les équations de la chromodynamique quantique (QCD) - la théorie de la force nucléaire forte, qui régit la façon dont les quarks et les gluons interagissent. Ces équations complexes peuvent être considérées comme contenant plus d'un million de variables qui rendent compte de toutes les interactions possibles au sein du microcosme grouillant d'un neutron. Ils seraient impossibles à résoudre sans une technique connue sous le nom de QCD sur réseau. Lattice QCD place les particules à des points discrets sur une grille imaginaire à quatre dimensions de l'espace-temps (trois dimensions spatiales plus le temps) pour calculer toutes les interactions possibles des particules adjacentes une par une, puis les combine dans un résultat final.

La partie informatique globale est assez simple, Rinaldi a dit, soulignant à nouveau qu'il s'agit d'une vue considérablement simplifiée :« Vous avez un ordinateur et un code qui résout les équations. Vous exécutez le code sur l'ordinateur, faire des analyses, et extraire le résultat. C'est un peu comme faire une expérience parce qu'il y a beaucoup d'étapes et de parties, comme un accélérateur de particules, ses détecteurs, les collisions, et la collecte de données, et nous devons contrôler chacune de ces étapes."

L'un des rôles de Rinaldi était de créer des entrées pour "l'expérience" - une série de simulations qui incluaient chacune une masse différente pour le neutron. Gonfler artificiellement la masse du neutron facilite le travail des équations, il expliqua.

"Les algorithmes deviennent de plus en plus difficiles à utiliser, nécessitant plus de temps de calcul à résoudre, lorsque vous essayez d'analyser ce qui se passe dans le monde réel. Nous aurions d'énormes barres d'erreur. Mais si vous modifiez artificiellement l'entrée des équations – rendez les neutrons plus massifs – cela facilite le calcul. Nous pouvons obtenir un résultat très précis pour chacun de ces calculs à des masses plus élevées, puis assembler les résultats pour extrapoler aux conditions du monde réel, " il a dit.

Réduire le bruit pour extraire le signal

Mais changer l'entrée ne peut pas faire grand-chose. Le plus grand saut de précision de l'équipe dirigée par Berkeley Lab (par rapport à d'autres groupes qui ont utilisé des méthodes similaires pour calculer g?A) est venu des améliorations apportées au "détecteur" de l'expérience, ", a déclaré Rinaldi.

L'équipe s'est intéressée aux propriétés du neutron, il expliqua. Mais les interactions mécaniques quantiques des quarks et des gluons peuvent également générer des "états excités" qui ressemblent à des neutrons mais ne sont pas des neutrons. Ces états excités génèrent du « bruit » qui contamine le signal. L'équipe du Berkeley Lab a trouvé comment filtrer le bruit pour produire un résultat qui, pour la première fois, atteint le seuil de précision d'un pour cent qui est une référence pour les calculs QCD sur réseau.

"Lors de la mesure de l'accouplement axial, le rapport signal sur bruit se dégrade de façon exponentielle au fur et à mesure que le neutron parcourt le temps, " dit Chia Cheng " Jason " Chang, un post-doctorant au Berkeley Lab qui a dirigé l'analyse. "Les calculs antérieurs ont tous été effectués dans cet environnement plus bruyant."

"Nous avons trouvé un moyen d'extraire la mesure avant que le bruit ne prenne le dessus et ne ruine l'expérience, ", a déclaré Rinaldi.

Les scientifiques ont déjà utilisé le nouveau calcul de couplage axial des nucléons pour obtenir une prédiction purement théorique de la durée de vie du neutron. À l'heure actuelle, cette nouvelle valeur est cohérente avec les résultats des deux types de mesures expérimentales, qui ne diffèrent que de 9 secondes.

"Nous avons un chiffre pour la durée de vie des neutrons :14 minutes et 40 secondes avec une barre d'erreur de 14 secondes. C'est juste au milieu des valeurs mesurées par les deux types d'expériences, avec une barre d'erreur qui est grande et chevauche les deux, ", a déclaré Rinaldi.

Avec plus de statistiques provenant de supercalculateurs plus puissants, l'équipe de recherche espère réduire la marge d'incertitude à environ 0,3 pour cent. "C'est là que nous pouvons réellement commencer à faire la distinction entre les résultats des deux méthodes expérimentales différentes de mesure de la durée de vie des neutrons, " dit Chang. " C'est toujours la partie la plus excitante :quand la théorie a quelque chose à dire sur l'expérience. "

Finalement, Rinaldi a dit, ceci et d'autres calculs permis par la technique de calcul de l'équipe pourraient améliorer notre compréhension des protons et des neutrons, et aider à répondre à d'autres questions en suspens sur la physique nucléaire, matière noire, et la nature de l'univers.