超级计算机为中子的生命和死亡提供了新的见解

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，一支由利物浦大学的粒子物理学家组成的国际科学家团队已经招募了强大的超级计算机来计算一个称为“核子轴耦合”的数量，或者说是gA - 这是我们理解中子寿命的核心 - 空前精准。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。

这项由加州大学伯克利分校领导的研究发表在“ 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标准模型之外的新物理。核物理学家通过更准确地确定gA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。夸克和胶子是包括中子和质子在内的复合粒子的基本构件。这些相互作用的动力学决定了中子和质子的质量，以及gA的值。

QCD是强核相互作用的公认理论，即通过胶子交换将质子和中子内的夸克“结合”在一起的力量。虽然这个理论原则上非常简单，但由于这种相互作用的强度(因此称为“强力”)，任何分析计算如果不是完全不可能则变得非常困难。这就是莱迪思QCD的用武之地。

作为研究团队成员的大学数学科学系研究员 Nicolas Garron博士说：“我们可以在非常强大的计算机上模拟该理论，并获得其他分析方法失败的预测。”

“但是，由于强大迭代的性质，莱迪思QCD需要非凡的计算资源。这就是为什么尽管莱迪思QCD是在1974年发明的，但直到最近我们才能获得精确和真实的预测。“

该团队对gA的新理论确定是基于对一小块宇宙的模拟 - 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。

然而，另一个意想不到的困难阻碍了。

负责新研究的加州大学伯克利分校的AndréWalker-Loud说：“计算gA应该是简单的基准计算之一，可以用来证明格子QCD可以用于基础核物理研究和精确度在核物理背景中寻找新物理学的测试，“结果证明这是一个非常难以确定的数量。”

这是因为中子和质子的晶格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gA计算中减少不确定性的主要进展。一些研究人员之前曾估计，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gA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和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的超级计算机来改进他们的gA计算

该计算的另一个基本要素是称为重整化的过程。简而言之，此过程将数值模拟给出的结果转换为可以与实验测量进行比较的“物理”预测。

利物浦大学理论物理系在该领域拥有丰富的专业知识; 利物浦研究人员发明了一些对这项工作至关重要的技术。

Garron博士补充说：“数值方法和高性能计算在我们对自然基本定律的理论理解中起着核心作用。Lattice QCD是理论物理学家和计算机科学家如何合作推动界限的典型例子。“

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。

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%。

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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