Une collaboration internationale de physiciens théoriciens, dont des scientifiques du Brookhaven National Laboratory (BNL) du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) et du RIKEN-BNL Research Center (RBRC), a publié un nouveau calcul pertinent pour la recherche d'une explication de la prédominance de la matière sur l'antimatière dans notre univers. La complicité, connu sous le nom de RBC-UKQCD, comprend également des scientifiques du CERN (le laboratoire européen de physique des particules), Université de Columbia, l'Université du Connecticut, l'Université d'Édimbourg, le Massachusetts Institute of Technology, l'Université de Ratisbonne, et l'Université de Southampton. Ils décrivent leur résultat dans un article à paraître dans la revue Examen physique D et a été mis en évidence comme une "suggestion de l'éditeur".

Les scientifiques ont d'abord observé une légère différence dans le comportement de la matière et de l'antimatière - connue sous le nom de violation de la « symétrie CP » - en étudiant les désintégrations de particules subatomiques appelées kaons dans une expérience lauréate du prix Nobel au Brookhaven Lab en 1963. Alors que le modèle standard de la physique des particules a été reconstituée peu de temps après, comprendre si la violation de CP observée dans les désintégrations du kaon en accord avec le modèle standard s'est avérée insaisissable en raison de la complexité des calculs requis.

Le nouveau calcul donne une prédiction plus précise de la probabilité avec laquelle les kaons se désintègrent en une paire de pions chargés électriquement par rapport à une paire de pions neutres. Comprendre ces désintégrations et comparer la prédiction avec des mesures expérimentales de pointe plus récentes effectuées au CERN et au Fermi National Accelerator Laboratory du DOE donne aux scientifiques un moyen de tester d'infimes différences entre la matière et l'antimatière, et rechercher des effets qui ne peuvent pas être expliqués par le modèle standard.

Le nouveau calcul représente une amélioration significative par rapport au résultat précédent du groupe, Publié dans Lettres d'examen physique en 2015. Sur la base du modèle standard, il donne une plage de valeurs pour ce qu'on appelle la "violation directe de la symétrie CP" dans les désintégrations du kaon qui est cohérente avec les résultats mesurés expérimentalement. Cela signifie que la violation de CP observée est maintenant, au meilleur de notre connaissance, expliqué par le modèle standard, mais l'incertitude dans la prédiction doit être encore améliorée car il existe également une opportunité de révéler toute source d'asymétrie matière/antimatière se situant au-delà de la description théorique actuelle de notre monde.

"Un calcul théorique encore plus précis du modèle standard peut encore se situer en dehors de la plage mesurée expérimentalement. Il est donc d'une grande importance que nous continuions nos progrès, et affiner nos calculs, afin que nous puissions fournir un test encore plus fort de notre compréhension fondamentale, " a déclaré Amarjit Soni, théoricien du Brookhaven Lab.

Déséquilibre matière/antimatière

"La nécessité d'une différence entre la matière et l'antimatière est intégrée dans la théorie moderne du cosmos, " a déclaré Norman Christ de l'Université de Columbia. "Notre compréhension actuelle est que l'univers actuel a été créé avec des quantités presque égales de matière et d'antimatière. À l'exception des petits effets étudiés ici, la matière et l'antimatière doivent être identiques en tous points, au-delà des choix conventionnels tels que l'attribution d'une charge négative à une particule et une charge positive à son antiparticule. Une certaine différence dans le fonctionnement de ces deux types de particules a dû faire pencher la balance en faveur de la matière par rapport à l'antimatière, " il a dit.

"Toutes les différences entre la matière et l'antimatière qui ont été observées à ce jour sont bien trop faibles pour expliquer la prédominance de la matière trouvée dans notre univers actuel, " Il a poursuivi. " Trouver un écart significatif entre une observation expérimentale et des prédictions basées sur le modèle standard ouvrirait potentiellement la voie à de nouveaux mécanismes d'interactions de particules qui dépassent notre compréhension actuelle et que nous espérons trouver pour aider à expliquer ce déséquilibre. ."

Modélisation des interactions avec les quarks

Toutes les expériences qui montrent une différence entre la matière et l'antimatière impliquent des particules constituées de quarks, les blocs de construction subatomiques qui se lient à travers la force forte pour former des protons, neutrons, et les noyaux atomiques, ainsi que des particules moins familières comme les kaons et les pions.

"Chaque kaon et pion est composé d'un quark et d'un antiquark, entouré d'un nuage de paires virtuelles quark-antiquark, et liés entre eux par des porteurs de force appelés gluons, " a expliqué Christopher Kelly, du Laboratoire national de Brookhaven.

Les calculs basés sur le Modèle Standard du comportement de ces particules doivent donc inclure toutes les interactions possibles des quarks et des gluons, tel que décrit par la théorie moderne des interactions fortes, connue sous le nom de chromodynamique quantique (QCD).

En outre, ces particules liées se déplacent à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. Cela signifie que les calculs doivent également inclure les principes de la relativité et de la théorie quantique, qui régissent de telles interactions de particules à vitesse proche de la lumière.

« En raison du grand nombre de variables impliquées, ce sont quelques-uns des calculs les plus compliqués de toute la physique, " a noté Tianle Wang, de l'Université de Columbia.

Défi informatique

Pour relever le défi, les théoriciens ont utilisé une approche informatique appelée lattice QCD, qui « place » les particules sur un réseau spatio-temporel à quatre dimensions (trois dimensions spatiales plus le temps). Ce réseau en forme de boîte leur permet de cartographier tous les chemins quantiques possibles pour que le kaon initial se désintègre en deux pions finaux. Le résultat devient plus précis à mesure que le nombre de points de réseau augmente. Wang a noté que "l'intégrale de Feynman" pour le calcul rapporté ici impliquait l'intégration de 67 millions de variables !

Ces calculs complexes ont été effectués à l'aide de supercalculateurs de pointe. La première partie de l'ouvrage, générer des échantillons ou des instantanés des champs de quarks et de gluons les plus probables, a été réalisée sur des supercalculateurs situés aux États-Unis, Japon, et le Royaume-Uni. La deuxième et la plus complexe étape d'extraction des amplitudes réelles de désintégration du kaon a été réalisée au National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), une installation utilisateur du DOE Office of Science au Lawrence Berkeley National Laboratory du DOE.

Mais utiliser les ordinateurs les plus rapides ne suffit pas; ces calculs ne sont encore possibles même sur ces calculateurs qu'en utilisant des codes de calcul hautement optimisés, développé pour le calcul par les auteurs.

« La précision de nos résultats ne peut pas être augmentée de manière significative en effectuant simplement plus de calculs, " dit Kelly. " Au lieu de cela, afin de resserrer notre test du modèle standard, nous devons maintenant surmonter un certain nombre de défis théoriques plus fondamentaux. Notre collaboration a déjà fait des progrès significatifs dans la résolution de ces problèmes et associée à des améliorations des techniques de calcul et de la puissance des supercalculateurs DOE du futur proche, nous prévoyons d'obtenir des résultats nettement améliorés au cours des trois à cinq prochaines années."