超級計算機為中子的生命和死亡提供了新的見解

測量中子壽命的實驗揭示了一個令人困惑和未解決的差異。雖然使用不同的技術測量了這一壽命精度在1%以內，但測量中明顯的沖突提供了學習尚未發(fā)現的物理學的令人興奮的可能性?，F在，一支由利物浦大學的粒子物理學家組成的國際科學家團隊已經招募了強大的超級計算機來計算一個稱為“核子軸耦合”的數量，或者說是gA - 這是我們理解中子壽命的核心 - 空前精準。他們的方法為進一步改進提供了明確的途徑，可能有助于解決實驗差異。

為了實現他們的結果，研究人員創(chuàng)建了一個模擬宇宙的微觀切片，為亞原子世界提供了一個窗口。

這項由加州大學伯克利分校領導的研究發(fā)表在“ 自然 ”雜志 上。

核子軸向耦合更精確地定義為粒子物理標準模型的“弱電流”的一個分量(稱為軸向分量)耦合到中子的強度。弱電流由宇宙的四種已知基本力之一給出，并負責放射性β衰變 - 中子衰變?yōu)橘|子，電子和中微子的過程。

除了測量中子壽命外，中子β衰變的精確測量也用于探測標準模型之外的新物理。核物理學家通過更準確地確定gA來尋求解決壽命差異并通過實驗結果進行擴充。

研究人員轉向量子色動力學(QCD)，這是標準模型的基石，描述了夸克和膠子如何相互作用。夸克和膠子是包括中子和質子在內的復合粒子的基本構件。這些相互作用的動力學決定了中子和質子的質量，以及gA的值。

QCD是強核相互作用的公認理論，即通過膠子交換將質子和中子內的夸克“結合”在一起的力量。雖然這個理論原則上非常簡單，但由于這種相互作用的強度(因此稱為“強力”)，任何分析計算如果不是完全不可能則變得非常困難。這就是萊迪思QCD的用武之地。

作為研究團隊成員的大學數學科學系研究員 Nicolas Garron博士說：“我們可以在非常強大的計算機上模擬該理論，并獲得其他分析方法失敗的預測。”

“但是，由于強大迭代的性質，萊迪思QCD需要非凡的計算資源。這就是為什么盡管萊迪思QCD是在1974年發(fā)明的，但直到最近我們才能獲得精確和真實的預測。“

該團隊對gA的新理論確定是基于對一小塊宇宙的模擬 - 每個方向上的一些中子的大小。他們模擬了一個中子過渡到宇宙這個微小部分內的質子，以預測自然界中發(fā)生的事情。

然而，另一個意想不到的困難阻礙了。

負責新研究的加州大學伯克利分校的AndréWalker-Loud說：“計算gA應該是簡單的基準計算之一，可以用來證明格子QCD可以用于基礎核物理研究和精確度在核物理背景中尋找新物理學的測試，“結果證明這是一個非常難以確定的數量。”

這是因為中子和質子的晶格QCD計算由于特別嘈雜的統計結果而變得復雜，這些結果阻礙了在先前gA計算中減少不確定性的主要進展。一些研究人員之前曾估計，到2020年，要求下一代最先進的超級計算機才能達到2%的gA精度。

參與最新研究的團隊開發(fā)了一種方法，使用非常規(guī)方法和橡樹嶺實驗室和勞倫斯利弗莫爾實驗室的超級計算機來改進他們的gA計算

該計算的另一個基本要素是稱為重整化的過程。簡而言之，此過程將數值模擬給出的結果轉換為可以與實驗測量進行比較的“物理”預測。

利物浦大學理論物理系在該領域擁有豐富的專業(yè)知識; 利物浦研究人員發(fā)明了一些對這項工作至關重要的技術。

Garron博士補充說：“數值方法和高性能計算在我們對自然基本定律的理論理解中起著核心作用。Lattice QCD是理論物理學家和計算機科學家如何合作推動界限的典型例子。“

這一最新計算還對物理理論的一個分支施加了更嚴格的約束，這些理論超出了標準模型 - 超出了歐洲核子研究中心大型強子對撞機強大的粒子對撞機實驗所設定的約束。

該團隊得到了橡樹嶺領導計算機構工作人員的協助，有效地利用了他們6400萬泰坦小時的分配，他們還轉向利弗莫爾實驗室的多學科和機構計算計劃，這給了他們更多的計算時間來解決他們的計算并減少他們的不確定性差距不到1%。

該團隊已經在Oak Ridge Lab的下一代超級計算機上申請了時間，這將極大地加速計算。