حياة وموت النيوترون

تكشف التجارب التي تقيس عمر النيوترونات وجود تباين محير وغير محسوم. في حين تم قياس هذا العمر بدقة في حدود 1 في المائة باستخدام تقنيات مختلفة ، فإن التعارض الواضح في القياسات يوفر إمكانية مثيرة للتعلم عن الفيزياء غير المكتشفة حتى الآن.

الآن ، قام فريق بقيادة علماء في قسم العلوم النووية في مختبر لورانس بيركلي القومي التابع لوزارة الطاقة (مختبر بيركلي) بتجنيد حواسيب عملاقة قوية لحساب كمية تُعرف باسم "اقتران محوري نيوكليون" ، أو فهم عمر النيوترون - بدقة غير مسبوقة. تقدم طريقتهم مسارًا واضحًا لمزيد من التحسينات التي قد تساعد في حل التناقض التجريبي.

ولتحقيق نتائجهم ، ابتكر الباحثون شريحة مجهرية من عالم محاكٍ لتوفير نافذة إلى العالم دون الذري. نُشرت دراستهم على الإنترنت في 30 مايو في مجلة Nature.

يتم تعريف اقتران nucleon المحوري بشكل أكثر دقة على أنه القوة التي عندها يكوّن مكون واحد (يعرف بالمكوّن المحوري) لـ "التيار الضعيف" للنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات إلى النيوترون. يتم إعطاء التيار الضعيف من خلال واحدة من القوى الأساسية الأربعة المعروفة للكون ومسؤول عن نشاط بيتا المشع - وهي العملية التي يتحلل فيها النيوترون إلى بروتون وإلكترون ونيوترينو.

بالإضافة إلى قياسات العمر النيوتروني ، يتم أيضًا استخدام قياسات دقيقة لنشاط بيتا النيوتروني لاستكشاف فيزياء جديدة خارج النموذج القياسي. يسعى علماء الفيزياء النووية إلى حل التناقض في مدى الحياة وزيادة النتائج التجريبية من خلال تحديد عمر النيوترون بشكل أكثر دقة.

تحول الباحثون إلى ديناميكيات الكم (QCD) ، وهو حجر الزاوية في النموذج القياسي الذي يصف كيفية تفاعل الكواركات والجالوونات مع بعضها البعض. تعتبر الكواركات والجالوونات لبنات البناء الأساسية للجسيمات الأكبر ، مثل النيوترونات والبروتونات. تحدد ديناميكية هذه التفاعلات كتلة النيوترون والبروتون ، وكذلك قيمة عمرهم.

ولكن الفرز من خلال التعقيد المتأصل لـ ديناميكيات الكم QCD لإنتاج هذه الكميات يتطلب مساعدة أجهزة الكمبيوتر العملاقة الضخمة. في الدراسة الأخيرة ، طبق الباحثون محاكاة رقمية تعرف باسم ديناميكيات الكم QCD شعرية ، والتي تمثل ديناميكيات الكم QCD على شبكة محدودة.

في حين يتم احترام نوع من التماثل عكس المرآة في تفاعلات الجسيمات يسمى التكافؤ (مثل مبادلة يديك اليمنى واليسرى) من خلال تفاعلات ديناميكيات الكم QCD ، والمكون المحوري للضعف الحالي تقلب التماثل - لا تحترم التكافؤ من قبل الطبيعة (بشكل مشابه ، معظمنا يمينًا). ولأن الطبيعة تكسر هذا التناظر ، لا يمكن تحديد قيمة العمر إلا من خلال القياسات التجريبية أو التنبؤات النظرية مع ديناميكيات الكم QCD الشبكية.

يعتمد التحديد النظري الجديد لـ العمر على محاكاة لجزء صغير من الكون - حجم بضعة نيوترونات في كل اتجاه. قاموا بمحاكاة نيوترون ينتقل إلى بروتون داخل هذا الجزء الصغير من الكون ، من أجل التنبؤ بما يحدث في الطبيعة.

يحتوي الكون النموذجي على نيوترون واحد وسط بحر من أزواج الكوارك-كوارك التي تنطلق تحت سطح الفراغ الواضح للفضاء الحر.

"كان من المفترض أن يكون حساب العمر واحدًا من الحسابات القياسية البسيطة التي يمكن استخدامها لإثبات إمكانية استخدام   ديناميكيات الكم QCD الشبكي في أبحاث الفيزياء النووية الأساسية ، ولإجراء اختبارات الدقة التي تبحث عن الفيزياء الجديدة في خلفيات الفيزياء النووية" ، قال أندريه ووكر. بصوت عال ، وهو موظف في قسم العلوم النووية في مختبر بيركلي الذي قاد الدراسة الجديدة. "تبين أنه من الصعب تحديد الكمية بشكل استثنائي".

هذا لأن حسابات ديناميكيات الكم QCD الشبكية معقدة بسبب النتائج الإحصائية الصاخبة بشكل استثنائي التي أحبطت تقدمًا كبيرًا في تقليل حالات عدم اليقين في حسابات ديناميكيات الكم السابقة. وكان بعض الباحثين قد قدروا في السابق أنها ستحتاج إلى الجيل القادم من أجهزة الكمبيوتر العملاقة الأكثر تقدمًا في البلاد للوصول إلى دقة تبلغ 2٪ بالنسبة إلى ديناميكيات الكم بحلول عام 2020 تقريبًا.
طور الفريق المشارك في الدراسة الأخيرة طريقة لتحسين حساباتهم من العمر باستخدام أسلوب غير تقليدي وحواسيب عملاقة في مختبر أوك ريدج الوطني (مختبر أوك ريدج) ومختبر لورانس ليفرمور الوطني (مختبر ليفرمور). تضمنت الدراسة علماء من أكثر من اثني عشر مؤسسة ، بما في ذلك باحثون من جامعة كاليفورنيا في بيركلي وعدة مختبرات وطنية أخرى تابعة لوزارة الطاقة.

وقال تشيا تشينغ "جايسون" تشانغ ، المؤلف الرئيسي للنشر وباحث ما بعد الدكتوراه في قسم العلوم النووية في مختبر بيركلي طوال مدة هذا العمل ، "أجريت جميع الحسابات الماضية وسط هذه البيئة الأكثر ضوضاءً" ، مما أدى إلى غموض النتائج كانوا يبحثون. انضم تشانغ أيضا إلى برنامج العلوم النظرية والرياضية متعدد التخصصات في RIKEN في اليابان كعالم أبحاث.

أضاف Walker-Loud: "لقد وجدنا طريقة لاستخراج العمر في وقت سابق ، قبل أن" ينفجر "الضجيج في وجهك."

قال تشانغ: "لدينا الآن تنبؤ نظري بحت لحياة النيوترون ، وهذه هي المرة الأولى التي يمكننا فيها التنبؤ بعمر النيوترون ليكون متسقًا مع التجارب".

"كان هذا مشروعًا مكثفًا لمدة عامين ونصف العام لم يجتمع إلا مع فريق العمل العظيم الذي يعمل عليه" ، كما يقول والكر-لود.

كما يضع هذا الحساب الأخير قيودًا أكثر صرامة على فرع من نظريات الفيزياء التي تمتد إلى ما وراء النموذج القياسي - وهي قيود تتجاوز تلك التي وضعتها التجارب القوية لتصادم الجسيمات في مصادم هادرون الكبير في سيرن. لكن الحسابات ليست دقيقة بما يكفي لتحديد ما إذا كانت الفيزياء الجديدة قد تم إخفاؤها في قياسات عمر الجينوم والنيوترون.

وأشار تشانغ ووكر-لود إلى أن القيد الرئيسي للتحسين على دقة حساباتهم هو توفير المزيد من قوة الحوسبة.

"ليس علينا تغيير الأسلوب الذي نستخدمه للحصول على الدقة اللازمة" ، كما يقول والكر-لود.

يعتمد العمل الأخير على عقود من الأبحاث والموارد الحاسوبية بواسطة مجتمع ديناميكيات الكم QCD الشبهي. على وجه الخصوص ، اعتمد فريق البحث على بيانات ديناميكيات الكم QCD المتولدة من MILC Collaboration ؛ مكتبة برمجية مفتوحة المصدر للشبكة QCD تسمى Chroma ، تم تطويرها بواسطة تعاون USQCD. و QUDA ، مكتبة البرمجيات مفتوحة المصدر الأمثل للغاية لحسابات ديناميكيات الكم QCD شعرية.

وقد اعتمد الفريق بشكل كبير على قوة "تيتان" ، وهو كمبيوتر عملاق في "أوك ريدج لاب" مجهز بوحدات معالجة الرسومات ، أو وحدات معالجة الرسوميات ، بالإضافة إلى وحدات معالجة مركزية تقليدية أو وحدات معالجة مركزية. تطورت GPUs من استخدامها المبكر في تسريع رسومات ألعاب الفيديو إلى التطبيقات الحالية في تقييم المصفوفات الكبيرة لمعالجة الخوارزميات المعقدة ذات الصلة بالعديد من مجالات العلوم.

استخدمت حسابات الاقتران المحوري حوالي 184 مليون ساعة من "ساعة تيتان" من الطاقة الحاسوبية - فستحتاج إلى حاسوب محمول واحد بذاكرة كبيرة حوالي 600،000 سنة لإكمال الحسابات نفسها.

عندما عمل الباحثون من خلال تحليلهم لهذه المجموعة الضخمة من البيانات الرقمية ، أدركوا أن هناك حاجة إلى مزيد من التحسينات للحد من عدم اليقين في حساباتهم.

وساعد فريق العمل في فريق Oak Ridge Leadership Computing Facility على الاستفادة بفعالية من التخصيص البالغ 64 مليون ساعة في ساعة التايتان ، وتحولوا أيضًا إلى برنامج الحوسبة المتعددة والمؤسسي في مختبر ليفرمور ، الأمر الذي منحهم وقتًا أكثر للحوسبة لحل حساباتهم وتقليل هامش عدم اليقين إلى أقل بقليل من 1 في المائة.

"إن إنشاء طريقة جديدة لحساب العمر كان عملاً مدمراً هائلاً" ، كما يقول والكر-لود.

ومع المزيد من الإحصائيات من أجهزة كمبيوتر عملاقة أكثر قوة ، يأمل فريق البحث في خفض هامش عدم اليقين إلى نحو 0.3 في المائة. وقال تشانغ: "هذا هو المكان الذي يمكننا فيه بالفعل البدء في التمييز بين نتائج الطريقتين التجريبيتين المختلفتين لقياس عمر النيوترون". "هذا هو الجزء الأكثر إثارة دائمًا: عندما يكون لدى النظرية ما تقوله عن التجربة".

وأضاف: "مع التحسينات ، نأمل أن نتمكن من حساب الأشياء التي يصعب أو حتى المستحيل قياسها في التجارب".

بالفعل ، تقدم الفريق بطلب للحصول على الوقت من خلال الجيل التالي من أجهزة الكمبيوتر العملاقة في مختبر Oak Ridge Lab الذي يدعى Summit ، والذي سيؤدي إلى تسريع الحسابات بشكل كبير.

بالإضافة إلى الباحثين في مختبر بيركلي وجامعة كاليفورنيا بيركلي ، ضم الفريق العلمي أيضًا باحثين من جامعة نورث كارولينا ، ومركز RIKEN BNL للأبحاث في مختبر بروكهافن الوطني ، ومختبر لورانس ليفرمور الوطني ، ومركز أبحاث جوليش في ألمانيا ، وجامعة ليفربول في المملكة المتحدة ، وكلية ويليام آند ماري ، وجامعة روتجرز ، وجامعة واشنطن ، وجامعة غلاسكو في المملكة المتحدة ، وشركة NVIDIA ، ومرفق التعجيل الوطني توماس جيفرسون.

اعداد وترجمة / فادي طارق 

المصدر