超级计算机为中子的生死提供了新的窗口

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测量中子寿命的实验揭示了一个令人困惑和未解决的差异。虽然使用不同的技术测量了这一寿命精度在1%以内,但测量中明显的冲突提供了学习尚未发现的物理学的令人兴奋的可能性。

现在,在能源部的劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)系在核科学部的科学家领导的研究小组招募了强大的超级计算机,计算被称为“核子轴连接,”或克量的一个 -这是中央我们对中子寿命的理解 – 具有前所未有的精确度。他们的方法为进一步改进提供了明确的途径,可能有助于解决实验差异。

为了实现他们的结果,研究人员创建了一个模拟宇宙的微观切片,为亚原子世界提供了一个窗口。他们的研究于5月30日在线发表在“ 自然 ”杂志上。

核子轴向耦合更精确地定义为粒子物理标准模型的“弱电流”的一个分量(称为轴向分量)耦合到中子的强度。弱电流由宇宙的四种已知基本力之一给出,并负责放射性β衰变 – 中子衰变为质子,电子和中微子的过程。

除了测量中子寿命外,中子β衰变的精确测量也用于探测超出标准模型的新物理。核物理学家通过更精确地确定g A来寻求解决寿命差异并通过实验结果进行扩充。

研究人员转向量子色动力学(QCD),这是标准模型的基石,描述了夸克和胶子如何相互作用。夸克和胶子是较大粒子(如中子和质子)的基本构件。这些相互作用的动力学决定了中子和质子的质量,以及g A的值。

但是,通过排除QCD固有的复杂性来生成这些数量需要大量超级计算机的帮助。在最新的研究中,研究人员应用了一种称为格子QCD的数值模拟,它代表了有限网格上的QCD。

虽然QCD的相互作用在粒子相互作用中称为奇偶校验(如交换你的右手和左手)的镜像翻转对称类型,并且弱电流翻转奇偶校验的轴向分量 – 奇偶校验不受天生的尊重(类似地,我们大多数人都是右撇子)。并且由于自然破坏了这种对称性,因此g A的值只能通过实验测量或格子QCD的理论预测来确定。

该团队对g A的新理论确定是基于对宇宙中一小块宇宙的模拟 – 每个方向上的一些中子的大小。他们模拟了一个中子过渡到宇宙这个微小部分内的质子,以预测自然界中发生的事情。

模型宇宙在夸克 – 反夸克对的海洋中包含一个中子,这些中子在自由空间明显空虚的表面下熙熙攘攘。

“计算g A应该是简单的基准计算之一,可以用来证明晶格QCD可以用于基础核物理研究,以及用于寻找核物理背景中新物理的精密测试,”AndréWalker说道。 -Loud是伯克利实验室核科学部的一名科学家,负责这项新研究。“事实证明这是一个非常难以确定的数量。”

这是因为格子QCD计算由于特别嘈杂的统计结果而变得复杂,这些结果阻碍了在先前的g A计算中减少不确定性的主要进展。一些研究人员此前曾估计,到2020年,要求下一代国家最先进的超级计算机才能达到2%的g A精度。

参与最新研究的团队开发了一种方法,使用非常规方法和橡树岭国家实验室(橡树岭实验室)和劳伦斯利弗莫尔国家实验室(利弗莫尔实验室)的超级计算机来改进他们对g A的计算。该研究涉及十几个机构的科学家,其中包括加州大学伯克利分校和其他几个能源部国家实验室的研究人员。

Chia Cheng伯克利实验室博士后研究员“Jason”Chang是一项研究的主要作者,该研究描述了称为核子轴向耦合的超级计算机密集计算。(图片来源:Marilyn Chung / Berkeley Lab)

在这项工作期间,该出版物的主要作者和伯克利实验室核科学部的博士后研究员Chia Cheng“Jason”Chang说:“过去的计算都是在这个更加嘈杂的环境中进行的,”这使得结果变得模糊不清正在寻求。Chang还加入了日本RIKEN的跨学科理论和数学科学项目,担任研究科学家。

Walker-Loud补充道,“我们找到了一种方法,可以在噪音”爆炸“之前及早提取g A。

Chang说:“我们现在对中子的寿命进行了纯粹的理论预测,这是我们第一次能够预测中子的寿命与实验一致。”

Walker-Loud说:“这是一个激烈的2年半的项目,只有在一起工作的人才团结起来才能实现。”

这一最新计算还对物理理论的一个分支施加了更严格的约束,这些理论超出了标准模型 – 超出了欧洲核子研究中心大型强子对撞机强大的粒子对撞机实验所设定的约束。但是计算还不够精确,无法确定新物理是否已经隐藏在g A和中子寿命测量中。

Chang和Walker-Loud指出,提高计算精度的主要限制是提供更多的计算能力。

“我们不必改变我们用来获得精确度的技术,”Walker-Loud说。

最新的工作建立在格子QCD社区数十年的研究和计算资源之上。特别是,研究团队依赖于MILC协作组生成的QCD数据; 一个名为Chroma的格子QCD开源软件库,由USQCD合作开发; 和QUDA,一个高度优化的开源软件库,用于格子QCD计算。

除了更传统的中央处理单元或CPU之外,该团队还充分利用了Titan的强大功能,Titan是Oak Ridge实验室的超级计算机,配备了图形处理单元或GPU。GPU已经从加速视频游戏图形的早期应用发展到评估大型阵列的当前应用,以解决与许多科学领域相关的复杂算法。

轴向耦合计算使用大约1.84亿“泰坦小时”的计算能力 – 需要一台具有大约60万年的大内存的笔记本电脑才能完成相同的计算。

当研究人员对这一大量数值数据进行分析时,他们意识到需要进行更多改进以减少计算中的不确定性。

该团队得到了橡树岭领导计算机构工作人员的协助,有效地利用了他们6400万泰坦小时的分配,他们还转向利弗莫尔实验室的多学科和机构计算计划,这给了他们更多的计算时间来解决他们的计算并减少他们的不确定性差距不到1%。

“建立一种计算g A的新方法是一个巨大的过山车,”Walker-Loud说。

随着更强大的超级计算机的更多统计数据,研究团队希望将不确定性差距降低到约0.3%。“我们实际上可以开始区分测量中子寿命的两种不同实验方法的结果,”Chang说。“这一直是最激动人心的部分:当理论对实验有所说明时。”

他补充说:“通过改进,我们希望能够计算出难以甚至无法在实验中测量的东西。”

该团队已经在Oak Ridge Lab的下一代超级计算机上申请了时间,这将极大地加速计算。

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