Il y a deux décennies, une expérience au laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) a mis en évidence un mystérieux décalage entre la théorie établie de la physique des particules et les mesures réelles en laboratoire. Lorsque les chercheurs ont évalué le comportement d'une particule subatomique appelée le muon, les résultats ne concordaient pas avec les calculs théoriques, posant un défi potentiel au modèle standard - notre compréhension actuelle du fonctionnement de l'univers.

Depuis, des scientifiques du monde entier ont essayé de vérifier cet écart et de déterminer sa signification. La réponse pourrait soit respecter le modèle standard, qui définit toutes les particules subatomiques connues et comment elles interagissent, ou introduire la possibilité d'une physique entièrement inconnue. Une équipe de recherche multi-institutionnelle (dont Brookhaven, Université de Columbia, et les universités du Connecticut, Nagoya et Ratisbonne, RIKEN) ont utilisé le supercalculateur Mira du Laboratoire national d'Argonne pour aider à affiner les explications possibles de l'écart, livrant un calcul théorique nouvellement précis qui affine une pièce de ce puzzle très complexe. L'oeuvre, financé en partie par le Bureau des sciences du DOE par le biais de ses programmes de recherche en physique des hautes énergies et en informatique scientifique avancée, a été publié dans la revue Lettres d'examen physique .

Un muon est une version plus lourde de l'électron et a la même charge électrique. La mesure en question est celle du moment magnétique du muon, qui définit comment la particule vacille lorsqu'elle interagit avec un champ magnétique externe. L'expérience précédente de Brookhaven, connu sous le nom de Muon g-2, ont examiné les muons alors qu'ils interagissaient avec un anneau de stockage d'électroaimants de 50 pieds de diamètre. Les résultats expérimentaux ont divergé de la valeur prédite par la théorie d'une quantité extrêmement faible mesurée en parties par million, mais dans le domaine du modèle standard, une telle différence est suffisamment importante pour être notable.

« Si vous tenez compte des incertitudes à la fois dans les calculs et les mesures, nous ne pouvons pas dire s'il s'agit d'un réel écart ou simplement d'une fluctuation statistique, " dit Thomas Blum, un physicien de l'Université du Connecticut qui a co-écrit l'article. "Donc, les expérimentateurs et les théoriciens essaient d'améliorer la netteté de leurs résultats."

En tant que Taku Izubuchi, un physicien du Brookhaven Lab qui est co-auteur de l'article, c'est noté, "Les physiciens ont essayé de comprendre le moment magnétique anormal du muon en comparant des calculs théoriques précis et des expériences précises depuis les années 1940. Cette séquence de travail a conduit à de nombreuses découvertes en physique des particules et continue d'étendre les limites de nos connaissances et capacités dans à la fois la théorie et l'expérimentation."

Si l'écart entre les résultats expérimentaux et les prédictions théoriques est bien réel, cela signifierait qu'un autre facteur - peut-être une particule encore à découvrir - fait en sorte que le muon se comporte différemment que prévu, et le modèle standard devrait être révisé.

Le travail de l'équipe s'est concentré sur un aspect notoirement difficile de l'anomalie impliquant la force forte, qui est l'une des quatre forces fondamentales de la nature qui régissent la façon dont les particules interagissent, avec faible, électromagnétique, et la force gravitationnelle. Les plus grandes incertitudes dans les calculs des muons proviennent des particules qui interagissent par la force forte, appelées contributions hadroniques. Ces contributions hadroniques sont définies par une théorie appelée chromodynamique quantique (QCD).

Les chercheurs ont utilisé une méthode appelée QCD sur réseau pour analyser un type de contribution hadronique, diffusion lumière par lumière. "Pour faire le calcul, nous simulons le champ quantique dans une petite boîte cubique qui contient le processus de diffusion lumière par lumière qui nous intéresse, " dit Luchang Jin, un physicien à l'Université du Connecticut et co-auteur de l'article. "Nous pouvons facilement nous retrouver avec des millions de points dans le temps et dans l'espace dans la simulation."

C'est là que Mira est intervenue. L'équipe a utilisé le supercalculateur, hébergé à l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), pour résoudre les équations mathématiques complexes de QCD, qui codent toutes les interactions fortes possibles avec le muon. L'ALCF, une installation utilisateur du DOE Office of Science, Mira a récemment pris sa retraite pour faire place au supercalculateur Aurora plus puissant, un système exascale qui devrait arriver en 2021.

"Mira était parfaitement adaptée pour ce travail, " dit James Osborn, un informaticien à l'ALCF et à la division Computational Science d'Argonne. "Avec près de 50, 000 nœuds connectés par un réseau très rapide, notre système massivement parallèle a permis à l'équipe d'exécuter de grandes simulations très efficacement."

Après quatre ans de calculs sur Mira, les chercheurs ont produit le tout premier résultat concernant la contribution de la diffusion hadronique lumière par lumière au moment magnétique anormal du muon, contrôler toutes les erreurs.

"Pendant longtemps, beaucoup de gens pensaient que cette contribution, parce que c'était si difficile, expliquerait l'écart, " a déclaré Blum. "Mais nous avons constaté que les estimations précédentes n'étaient pas loin, et que la valeur réelle ne peut pas expliquer l'écart."

Pendant ce temps, une nouvelle version de l'expérience Muon g-2 est en cours au Fermi National Accelerator Laboratory, visant à réduire l'incertitude du côté expérimental par un facteur de quatre. Ces résultats ajouteront plus de perspicacité au travail théorique en cours actuellement.

"Pour autant que nous sachions, l'écart persiste, " a déclaré Blum. "Nous attendons de voir si les résultats ensemble pointent vers une nouvelle physique, ou si le modèle standard actuel est toujours la meilleure théorie que nous ayons pour expliquer la nature."