Regardez plus profondément au cœur de l'atome que ne le permet n'importe quel microscope et les scientifiques émettent l'hypothèse que vous trouverez un monde riche de particules entrant et sortant du vide, se désintégrer en d'autres particules, et ajoutant à l'étrangeté du monde visible. Ces particules subatomiques sont régies par la nature quantique de l'Univers et trouvent tangibles, forme physique dans les résultats expérimentaux.

Certaines particules subatomiques ont été découvertes pour la première fois il y a plus d'un siècle grâce à des expériences relativement simples. Plus récemment, cependant, l'effort pour comprendre ces particules a engendré le plus grand, expériences les plus ambitieuses et complexes au monde, y compris ceux des laboratoires de physique des particules tels que l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) en Europe, Laboratoire Fermi dans l'Illinois, et la High Energy Accelerator Research Organisation (KEK) au Japon.

Ces expériences ont pour mission d'élargir notre compréhension de l'Univers, caractérisé le plus harmonieusement dans le modèle standard de la physique des particules ; et de regarder au-delà du modèle standard pour une physique encore inconnue.

"Le modèle standard explique une grande partie de ce que nous observons en physique des particules élémentaires et nucléaire, mais il laisse beaucoup de questions sans réponse, " a déclaré Steven Gottlieb, professeur distingué de physique à l'Université d'Indiana. "Nous essayons de percer le mystère de ce qui se trouve au-delà du modèle standard."

Depuis le début de l'étude de la physique des particules, approches expérimentales et théoriques se sont complétées pour tenter de comprendre la nature. Au cours des quatre à cinq dernières décennies, l'informatique de pointe est devenue une partie importante des deux approches. De grands progrès ont été réalisés dans la compréhension du comportement du zoo de particules subatomiques, y compris les bosons (en particulier le boson de Higgs longtemps recherché et récemment découvert), différentes saveurs de quarks, gluons, muons, les neutrinos et de nombreux états fabriqués à partir de combinaisons de quarks ou d'anti-quarks liés entre eux.

La théorie quantique des champs est le cadre théorique à partir duquel le modèle standard de la physique des particules est construit. Il combine la théorie des champs classique, relativité restreinte et mécanique quantique, développé avec les contributions d'Einstein, Dirac, Fermi, Feynman, et d'autres. Dans le modèle standard, chromodynamique quantique, ou QCD, est la théorie de l'interaction forte entre quarks et gluons, les particules fondamentales qui composent certaines des plus grosses particules composites telles que le proton, neutron et pion.

Regarder à travers le treillis

Carleton DeTar et Steven Gottlieb sont deux des principaux universitaires contemporains de la recherche QCD et des praticiens d'une approche connue sous le nom de treillis QCD. Le réseau QCD représente l'espace continu comme un ensemble discret de points d'espace-temps (appelé le réseau). Il utilise des supercalculateurs pour étudier les interactions des quarks, et surtout, déterminer plus précisément plusieurs paramètres du Modèle Standard, réduisant ainsi les incertitudes dans ses prévisions. C'est une approche lente et gourmande en ressources, mais il s'est avéré avoir une large applicabilité, donner un aperçu de parties de la théorie inaccessibles par d'autres moyens, en particulier les forces explicites agissant entre quarks et antiquarks.

DeTar et Gottlieb font partie de la collaboration MIMD Lattice Computation (MILC) et travaillent en étroite collaboration avec la Fermilab Lattice Collaboration sur la grande majorité de leurs travaux. Ils travaillent également avec la collaboration High Precision QCD (HPQCD) pour l'étude du moment magnétique anormal du muon. Dans le cadre de ces efforts, ils utilisent les supercalculateurs les plus rapides du monde.

Depuis 2019, ils ont utilisé Frontera au Texas Advanced Computing Center (TACC), le supercalculateur universitaire le plus rapide au monde et le 9e au classement général, pour propulser leur travail. Ils sont parmi les plus grands utilisateurs de cette ressource, qui est financé par la National Science Foundation. L'équipe utilise également Summit au Oak Ridge National Laboratory (le deuxième superordinateur le plus rapide au monde); Cori au National Energy Research Scientific Computing Center (#20), et Stampede2 (#25) au TACC, pour les calculs de réseau.

Les efforts de la communauté QCD sur réseau au cours des décennies ont apporté une plus grande précision aux prédictions de particules grâce à une combinaison d'ordinateurs plus rapides et d'algorithmes et de méthodologies améliorés.

"Nous pouvons faire des calculs et faire des prédictions avec une grande précision sur le fonctionnement des interactions fortes, " dit DeTar, professeur de physique et d'astronomie à l'Université de l'Utah. « Quand j'ai commencé mes études supérieures à la fin des années 60, certaines de nos meilleures estimations se situaient à moins de 20 pour cent des résultats expérimentaux. Maintenant, nous pouvons obtenir des réponses avec une précision inférieure à un pourcentage."

En physique des particules, l'expérience physique et la théorie voyagent en tandem, s'informer mutuellement, mais produisant parfois des résultats différents. Ces différences suggèrent des domaines d'exploration ou d'amélioration supplémentaires.

« Il y a des tensions dans ces tests, " dit Gottlieb, professeur distingué de physique à l'Université d'Indiana. « Les tensions ne sont pas assez grandes pour dire qu'il y a un problème ici - l'exigence habituelle est d'au moins cinq écarts types. Mais cela signifie soit que vous rendez la théorie et l'expérience plus précises et que vous trouvez que l'accord est meilleur ; et tu découvres, 'Attendez une minute, ce qui était la tension de trois sigma est maintenant une tension de cinq déviations standard, et peut-être avons-nous vraiment des preuves d'une nouvelle physique.'"

DeTar qualifie ces petites divergences entre la théorie et l'expérience de « alléchantes ». "Ils pourraient nous dire quelque chose."

Au cours des dernières années, DeTar, Gottlieb et leurs collaborateurs ont suivi les chemins des quarks et des antiquarks avec une résolution toujours plus grande alors qu'ils se déplacent à travers un nuage de fond de gluons et de paires virtuelles quark-antiquark, comme prescrit précisément par QCD. Les résultats du calcul sont utilisés pour déterminer des quantités physiquement significatives telles que les masses et les désintégrations des particules.

L'une des approches de pointe actuellement appliquées par les chercheurs utilise le formalisme dit des quarks décalés hautement améliorés (HISQ) pour simuler les interactions des quarks avec les gluons. Sur Frontera, DeTar et Gottlieb simulent actuellement à un espacement de réseau de 0,06 femtomètre (10 ^-15 mètres), mais ils approchent rapidement de leur objectif ultime de 0,03 femtomètre, une distance où l'espacement du réseau est plus petit que la longueur d'onde du quark le plus lourd, supprimant ainsi une source importante d'incertitude de ces calculs.

Chaque doublement de résolution, cependant, nécessite environ deux ordres de grandeur de plus de puissance de calcul, mettre un espacement de réseau de 0,03 femtomètre fermement dans le régime «exascale» qui approche rapidement.

"Les coûts de calcul ne cessent d'augmenter à mesure que vous réduisez l'espacement du réseau, " a déclaré DeTar. "Pour un espacement de réseau plus petit, nous pensons aux futures machines du Département de l'énergie et à la Leadership Class Computing Facility [le futur système de TACC en cours de planification]. Mais nous pouvons nous contenter d'extrapolations maintenant."

Le moment magnétique anormal du muon et autres mystères exceptionnels

Parmi les phénomènes auxquels DeTar et Gottlieb s'attaquent figure le moment magnétique anormal du muon (essentiellement un électron lourd) - qui, en théorie quantique des champs, provient d'un faible nuage de particules élémentaires qui entoure le muon. Le même type de nuage affecte les désintégrations des particules. Les théoriciens pensent que des particules élémentaires non encore découvertes pourraient potentiellement se trouver dans ce nuage.

Une grande collaboration internationale appelée Muon g-2 Theory Initiative a récemment examiné l'état actuel du calcul du modèle standard du moment magnétique anormal du muon. Leur critique est parue dans Rapports de physique en décembre 2020. DeTar, Gottlieb et plusieurs de leurs Fermilab Lattice, Des collaborateurs HPQCD et MILC sont parmi les co-auteurs. Ils trouvent une différence d'écart-type de 3,7 entre l'expérience et la théorie.

"... les processus qui étaient importants dans la première instance de l'Univers impliquent les mêmes interactions avec lesquelles nous travaillons ici. Donc, les mystères que nous essayons de résoudre dans le microcosme peuvent très bien fournir également des réponses aux mystères à l'échelle cosmologique."

Carleton DeTar, Professeur de physique, University of UtahAlors que certaines parties des contributions théoriques peuvent être calculées avec une extrême précision, les contributions hadroniques (classe de particules subatomiques composées de deux ou trois quarks et participant à des interactions fortes) sont les plus difficiles à calculer et sont responsables de la quasi-totalité de l'incertitude théorique. Lattice QCD est l'une des deux façons de calculer ces contributions.

"L'incertitude expérimentale sera bientôt réduite jusqu'à un facteur quatre par la nouvelle expérience actuellement en cours au Fermilab, et aussi par la future expérience J-PARC, ", ont-ils écrit. "Cela et les perspectives de réduire davantage l'incertitude théorique dans un proche avenir... font de cette quantité l'un des endroits les plus prometteurs pour rechercher des preuves d'une nouvelle physique."

Gottlieb, DeTar et ses collaborateurs ont calculé la contribution hadronique au moment magnétique anormal avec une précision de 2,2 %. « Cela nous donne l'assurance que notre objectif à court terme d'atteindre une précision de 1 % sur la contribution hadronique au moment magnétique anormal du muon est désormais réaliste. " a déclaré Gottlieb. Ils espèrent atteindre une précision de 0,5% quelques années plus tard.

D'autres indices « alléchants » de la nouvelle physique impliquent des mesures de la désintégration des mésons B. Là, diverses méthodes expérimentales arrivent à des résultats différents. « Les propriétés de désintégration et les mélanges des mésons D et B sont essentiels pour une détermination plus précise de plusieurs des paramètres les moins connus du modèle standard, " a déclaré Gottlieb. "Notre travail est d'améliorer les déterminations des masses du haut, vers le bas, étrange, charme et quarks bottom et comment ils se mélangent sous de faibles désintégrations. » Le mélange est décrit par la matrice de mélange CKM pour laquelle Kobayashi et Maskawa ont remporté le prix Nobel de physique 2008.

Les réponses recherchées par DeTar et Gottlieb sont les plus fondamentales en science :de quoi est faite la matière ? Et d'où vient-il?

"L'Univers est très connecté à bien des égards, " a déclaré DeTar. "Nous voulons comprendre comment l'Univers a commencé. La compréhension actuelle est que cela a commencé avec le Big Bang. Et les processus qui étaient importants dans la première instance de l'Univers impliquent les mêmes interactions que celles avec lesquelles nous travaillons ici. Donc, les mystères que nous essayons de résoudre dans le microcosme peuvent très bien fournir également des réponses aux mystères à l'échelle cosmologique."