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新的计算使物质与反物质的比较认知取得长足的进步

一个国际合作的理论物理学家团队,包括来自美国布鲁克海文国家实验室(BNL)和日本理研-布鲁克黑文国家实验室(RBRC)的科学家,发布了一种新的计算,该计算与探索宇宙中物质超过反物质的解释相关。

这项名为RBC-UKQCD的合作还包括来自欧洲粒子物理研究中心、哥伦比亚大学、康涅狄格大学、爱丁堡大学、麻省理工学院、雷根斯堡大学、南安普敦大学等的科学家。

新的计算使物质与反物质的比较认知取得长足的进步

CP对称性违反

科学家1963年在布鲁克海文实验室获得诺贝尔奖的实验中研究了被称为K介子的亚原子粒子的衰变时,首先观察到了物质和反物质行为细微的、称为违反“CP对称性”的差异。

在粒子物理学中,K介子(Kaon,标记为K)是带有奇异数这一量子数的四种介子的任一种。在夸克模型中,知道它们含有一个奇夸克(或其反夸克),及一个上或下夸克的反夸克(或其夸克)。

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K介子的衰变

此后不久,粒子物理学的标准模型被建立,由于所需计算的复杂性,物理学家试图了解在K介子衰变中观察到的CP对称性违反是否与标准模型一致。

通过新的计算,更准确地预测了钾离子衰减为一对带电的π介子相对于一对中性的π介子的可能性。了解这些衰变并将预测与最新技术实验比较,为科学家提供了一种方法来测试物质与反物质之间的微小差异,并寻找由标准模型无法解释的效应。

新的计算代表了该小组先前发表于2015年《 物理评论通讯》上的结果的重大改进。基于标准模型,它给出了与K介子衰变有关的所谓“直接CP对称违反”的一系列值,这些值与实验测量的结果吻合。这意味着所观察到的CP违反现在已由标准模型解释,但是预测中的不确定性有待进一步改善,因为任何有可能揭示物质/反物质不对称性的来源超出了当前理论对我们世界的描述。

研究人员说,“标准模型的更准确的理论计算可能超出了实验测量的范围。因此,至关重要的是,我们需要继续进步,完善我们的计算,以便可以对我们的基本面提供更强大的检验认知”。

物质/反物质不平衡

研究人员表示:“物质与反物质之间的差异的需要已被纳入现代宇宙理论之中。” “我们目前的理解是,目前的宇宙是由几乎相等数量的物质和反物质所致。除了这里研究的微小影响外,物质和反物质在各个方面都应该相同,除了传统的选择,例如给一个粒子分配负电荷,给其反粒子分配正电荷,这两种类型的粒子的工作方式有所不同,一定是为了达到平衡,使物质超过反物质。”

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物质/反物质不平衡

研究人员解释说:“迄今为止,在物质和反物质方面的任何差异都太微弱,不足以解释我们在当前宇宙中发现的物质占主导地位。” “在基于标准模型的实验观察和预测之间发现明显的差异,可能会为我们目前无法理解的、新的粒子相互作用机制指明道路,并且我们希望找到有助于解释这种不平衡的方法。”

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两条K介子衰减路径的可能性

如图所示使用世界上最快的超级计算机进行的新计算,使科学家可以更准确地预测两条K介子衰减路径的可能性,并将这些预测与实验测量结果进行比较。比较测试对物质和反物质之间的微小差异进行了比较,这些差异甚至可以通过更高的计算能力和其它改进来指出标准模型未解释的物理现象。

夸克相互作用模型

所有表明物质与反物质之间存在差异的实验都涉及夸克构成的粒子,通过强力结合形成质子、中子和原子核的亚原子构造基块、以及例如不熟悉的K介子和π介子粒子。

研究人员解释说:“每个K介子和π介子都是由一个夸克和一个反夸克组成,它们被一堆虚拟的夸克-反夸克对的云所包围,并被称为胶子的力载体捆绑在一起。”

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因此,基于标准模型计算的这些粒子如何行为,必须包括夸克和胶子的所有可能的相互作用,正如称为量子色动力学(quantum chromodynamics ,缩写:QCD)的现代强相互作用理论所描述的那样。

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量子色动力学

另外,这些结合的粒子以接近光速的速度移动,这意味着计算还必须包括相对论和量子理论,它们控制着这种近光速粒子相互作用。

论文主要作者之一、哥伦比亚大学应用物理数学系博士生、王天乐(Tianle Wang)指出:“由于涉及这些大量的变量,因此这些是整个物理学中一些最为复杂的计算。”

计算挑战

王说,为了克服这样的挑战,使用了一种称为晶格的量子色动力学计算方法,该方法将粒子“放置”在一个四维的时空晶格上,即三维空间加时间。这种盒状晶格使他们能够绘制出所有可能的量子路径,以使初始K介子衰减到最后两个π介子。随着晶格点数量的增加,结果变得更加准确,但计算量也随之很大。该论文研究所计算的“费曼积分”涉及积分达6千7百万个变量!

这些复杂的计算是通过使用最尖端的超级计算机完成的。这项工作的第一部分是在美国、日本和英国的超级计算机上,生成最可能的夸克和胶子场的样本或快照。提取实际K介子衰减幅度的第二个也是最复杂的步骤,是在美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的科学研究计算中心(NERSC)的Cori科里超级计算机Cori超级计算机中执行的。

新的计算使物质与反物质的比较认知取得长足的进步

美国国家能源研究科学计算中心(NERSC)科里超级计算机

仅仅使用最快的计算机是不够的。这些计算只有使用由研究人员所开发出的用于计算的高度优化的计算机代码时,这些计算在这些计算机上才可能进行。

研究人员说:“仅通过执行更多的计算,并不能显着提高结果的精度。” “相反,为了加强我们对标准模型的测试,我们现在必须克服一些更基本的理论挑战。我们的合作已经在解决这些问题上取得了长足的进步,并且对超级计算机在计算技术和计算能力方面都进行了改进,我们希望在未来三到五年内能取得更大的进步。”

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