24.04.2018
PL EN
15.12.2017 aktualizacja 15.12.2017

Współczesne akceleratory mogą nie dostrzec cząstek "nowej fizyki"

Przez 80 milionów godzin pracy rdzeni obliczeniowych krakowski superkomputer Prometheus tropił ślady ‘nowej fizyki’, konfrontując w ramach projektu GAMBIT przewidywania kilku modeli supersymetrii z danymi zebranymi przez najbardziej wyrafinowane współczesne eksperymenty naukowe. Źródło: Cyfronet, AGH Przez 80 milionów godzin pracy rdzeni obliczeniowych krakowski superkomputer Prometheus tropił ślady ‘nowej fizyki’, konfrontując w ramach projektu GAMBIT przewidywania kilku modeli supersymetrii z danymi zebranymi przez najbardziej wyrafinowane współczesne eksperymenty naukowe. Źródło: Cyfronet, AGH

Cząstki elementarne "nowej fizyki" muszą być tak masywne, że ich wykrycie w LHC, największym współczesnym akceleratorze, nie będzie możliwe - to wniosek z analiz międzynarodowego projektu GAMBIT, w którym uczestniczy Instytut Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie.

Ten mało optymistyczny wniosek płynie z najobszerniejszego przeglądu danych obserwacyjnych z wielu eksperymentów naukowych i ich konfrontacji z kilkoma popularnymi odmianami teorii supersymetrii. Skomplikowane, niezwykle wymagające obliczeniowo analizy przeprowadził zespół międzynarodowego projektu GAMBIT – i zostawił cień nadziei.

Jeśli istnieją cząstki supersymetryczne przewidywane przez zbadane modele teoretyczne, to muszą posiadać masy rzędu wielu teraelektronowoltów - sugerują wyniki analiz przeprowadzonych w ramach projektu GAMBIT, o których donosi w przesłanym PAP komunikacie prasowym Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie. W praktyce oznacza to, że zobaczenie takich cząstek w akceleratorze LHC będzie albo bardzo trudne, albo wręcz niemożliwe.

Naukowcy pracujący przy projekcie GAMBIT stworzyli zestaw narzędzi programowych pozwalających na kompleksową analizę danych zebranych w trakcie najbardziej wyrafinowanych współczesnych eksperymentów i pomiarów. Pierwsze wyniki ich badań opublikowano właśnie w czasopiśmie "European Physical Journal C". W pracach zespołu uczestniczy IFJ PAN.

W tym wszystkim pojawia się jednak cień nadziei - uspokaja w komunikacie IFJ PAN. Kilka supercząstek – znanych jako neutralino, chargino, stau i stop – ma spore masy, które jednak nie przekraczają teraelektronowolta. Ich wykrycie w LHC - przy pewnej dozie szczęścia - jest więc możliwe. Niestety, w tym gronie tylko neutralino jest uważane za potencjalnego kandydata na ciemną materię.

Międzynarodowy projekt GAMBIT (Global and Modular Beyond-the-Standard-Model Inference Tool) poszukuje odpowiedzi na pytanie, czy za pomocą współczesnych przyrządów można dostrzec cząstki elementarne "nowej fizyki", zdolnej wytłumaczyć tak zagadkowe cechy naszej rzeczywistości jak natura ciemnej materii czy brak symetrii między materią a antymaterią.

Fizycy-teoretycy są dziś głęboko przekonani, że Model Standardowy - czyli nasza obecna, doskonale zweryfikowana teoria budowy materii - wymaga rozszerzenia. Silną przesłanką za istnieniem nieznanych cząstek elementarnych są m.in. ruchy gwiazd w galaktykach. Badaniem statystycznych cech tych ruchów jako pierwszy zajął się polski astronom Marian Kowalski. W 1859 roku odkrył on, że ruchów bliskich nam gwiazd nie da się wytłumaczyć samym ruchem Słońca - była to pierwsza przesłanka sugerującą obrót Drogi Mlecznej. Z kolei w 1933 roku Szwajcar Fritz Zwicky wywnioskował z obserwacji gwiazd w gromadzie galaktyk Coma, że poruszają się one wokół centrów galaktycznych tak, jakby znajdowała się tam duża ilość niewidocznej materii.

Choć jednak od odkrycia Zwicky\'ego upłynął niemal wiek, do dziś nie udało się zbadać składu ciemnej materii – ani nawet jednoznacznie potwierdzić jej istnienia. W tym czasie teoretycy skonstruowali wiele rozszerzeń Modelu Standardowego, zawierających mniej lub bardziej egzotyczne cząstki-kandydatki na ciemną materię. Popularnością cieszy się np. rodzina teorii supersymetrycznych. Za istnienie ciemnej materii odpowiadają tu niektóre nowe, bardzo masywne i słabo oddziałujące ze zwykłą materią odpowiedniki znanych cząstek.

Naturalnie, śladów "nowej fizyki" szukają też liczne grupy fizyków doświadczalnych. Każda z nich na podstawie przypuszczeń teoretycznych realizuje pewien projekt badawczy, po czym zajmuje się analizą i interpretacją napływających z niego danych. Niemal zawsze odbywa się to w kontekście jednego, zwykle dość wąskiego działu fizyki.

"Idea projektu GAMBIT polega na stworzeniu narzędzi do analizowania danych z jak największej liczby eksperymentów, z różnych obszarów fizyki i bardzo szczegółowe porównywanie ich z przewidywaniami nowych teorii" - wyjaśnia dr Marcin Chrząszcz z IFJ PAN, cytowany w komunikacie prasowym. - "Patrząc kompleksowo można znacznie szybciej zawężać obszary poszukiwań +nowej fizyki+, a z czasem także eliminować te modele, których przewidywania nie znalazły potwierdzenia w pomiarach" - dodaje.

Pomysł zbudowania zestawu modułowych narzędzi programowych do globalnej analizy danych obserwacyjnych z różnych eksperymentów fizycznych zrodził się w 2012 r. podczas międzynarodowej konferencji naukowej w Melbourne. Obecnie w skład grupy GAMBIT wchodzi ponad 30 badaczy, m.in. z Australii, Francji, Polski, Stanów Zjednoczonych i Szwecji. Dr Chrząszcz, finansowany z grantu SONATA Narodowego Centrum Nauki, dołączył do zespołu GAMBIT trzy lata temu. Pracuje nad narzędziami modelującymi fizykę masywnych kwarków, ze szczególnym uwzględnieniem kwarków pięknych (zwyczajowo ten dział fizyki nosi znacznie bardziej chwytliwą nazwę: fizyka ciężkich zapachów).

Jak w projekcie GAMBIT weryfikuje się propozycje nowej fizyki? Naukowcy wybierają model teoretyczny i wbudowują go w oprogramowanie. Następnie program skanuje wartości głównych parametrów modelu. Dla każdego zestawu parametrów są wyliczane przewidywania, które porównuje się z danymi z eksperymentów.

"W praktyce nic nie jest tu trywialne" - podkreśla dr Chrząszcz. - "Istnieją modele, gdzie mamy aż 128 swobodnych parametrów. Proszę sobie wyobrazić skanowanie wariantów w przestrzeni o 128 wymiarach. To coś, co zabije każdy komputer. Dlatego na początek ograniczyliśmy się do trzech wersji prostszych modeli supersymetrycznych, znanych pod skrótami CMSSM, NUHM1 i NUHM2. Mają one odpowiednio pięć, sześć i siedem swobodnych parametrów. Ale sprawy i tak się komplikują, bo na przykład część stałych parametrów znamy tylko z pewną dokładnością. Zatem trzeba je traktować podobnie jak parametry swobodne, tyle że zmieniające się w mniejszym zakresie" - opowiada naukowiec.

Obliczenia projektu GAMBIT przeprowadzono na superkomputerze Prometheus, jednym z kilkudziesięciu najszybszych komputerów świata. Urządzenie, pracujące w Akademickim Centrum Komputerowym Cyfronet Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, dysponuje procesorami o ponad 53 tysiącach rdzeni i całkowitej mocy obliczeniowej 2399 teraflopsów (miliona milionów operacji zmiennopozycyjnych na sekundę). Mimo zastosowania tak potężnego sprzętu, łączny czas pracy rdzeni w projekcie GAMBIT wyniósł aż 80 mln godzin - czyli ponad 9100 lat.

"Tak długie obliczenia to m.in. konsekwencja różnorodności danych pomiarowych" - tłumaczy dr Chrząszcz. Grupy z głównych eksperymentów przy akceleratorze LHC publikują dokładnie takie wyniki, jakie zmierzyły detektory. - "Ale przecież każdy detektor w jakiś sposób zniekształca to, co widzi. Zanim porównamy dane z przewidywaniami weryfikowanego modelu, trzeba z nich usunąć zaburzenia wprowadzone przez detektor." Jak dodaje naukowiec, podobny zabieg trzeba przeprowadzić po stronie astrofizyki.

Kody wszystkich modułów pakietu GAMBIT są publicznie dostępne na stronie projektu i mogą być szybko zaadaptowane do analiz pod kątem nowych modeli teoretycznych. Naukowcy z projektu GAMBIT liczą na to, że otwartość kodu przyspieszy poszukiwania "nowej fizyki".

PAP - Nauka w Polsce

kflo/ ekr/

Copyright © Fundacja PAP 2018