Una collaborazione internazionale di scienziati ha fornito un punto di riferimento del processo di decadimento di un kaone in due pioni, utilizzando tecniche innovative su alcuni dei supercomputer più veloci al mondo. Questo è il decadimento della stessa particella subatomica esplorata in un esperimento nel 1964 dal vincitore del premio Nobel condotto presso il Department of Energy Brookhaven National Laboratory (BNL), che ha rivelato la prima prova sperimentale della violazione carica-parità (CP) - una mancanza di simmetria tra le particelle e le antiparticelle corrispondenti che possono contenere la risposta alla domanda: "Perché siamo fatti di materia e non di antimateria?"
La nuova ricerca, pubblicata on-line sul Physical Review Letters del 30 Marzo 2012, aiuta a inchiodare l'esatto processo di decadimento del kaone, ed ha anche ispirato lo sviluppo di una nuova generazione di supercomputer che permetterà il prossimo passo in questa ricerca.
"Il calcolo attuale è un importante passo avanti in un nuovo tipo di controllo stringente del Modello Standard della fisica delle particelle - la teoria che descrive le particelle fondamentali della materia e le loro interazioni - e del problema della simmetria materia / antimateria, una delle domande più profonde della scienza di oggi", ha detto Taku Izubuchi del RIKEN Research Center BNL e BNL, uno dei membri del team di ricerca che sta pubblicando le nuove scoperte.
"Quando è iniziato l'Universo, o c'erano più particelle che antiparticelle, o ha avuto inizio in modo simmetrico, con un uguale numero di particelle e antiparticelle che, attraverso la violazione di CP o con un meccanismo simile, finirono con il diventare più materia che antimateria?"
In entrambi i casi, oggi ll'Universo è composto quasi esclusivamente di materia e senza antimateria.
Gli scienziati cercano di capire il perché questa frequente asimmetria di per cercare le sottili violazioni dei processi descritti dal Modello Standard. Una proprietà di questi processi, la simmetria CP, può essere esplorata dal confronto di due decadimenti di particelle - il decadimento di una particella osservata direttamente e il decadimento della sua anti-particella, considerata nella riflessione speculare. "C" si riferisce allo scambio di una particella e la sua antiparticella (che è esattamente uguale, ma con carica opposta). "P" indica il riflesso speculare di questa decadenza. Ma come dimostrarono i vincitori del premio Nobel, i due decadimenti non sono sempre simmetrici: In alcuni casi si finisce con le particelle supplementari (materia) e la simmetria CP è "violata".
L'esplorazione dei dettagli precisi del processo di decadimento del kaone potrebbe contribuire a spiegare come e perché questo accade.
Il nuovo calcolo per comprendere questa decadenza ha richiesto la creazione di particolari nuove tecniche informatiche da utilizzare su alcuni dei supercomputer più veloci del mondo, che è stata effettuata dai fisici del Brookhaven National Laboratory, dalla Columbia University, dalla University of Connecticut, dall'Università di Edimburgo, dal Max-Planck-Institut für Physik, dal RIKEN BNL Research Center (RBRC), dall'Università di Southampton, e dalla Washington University.
Il calcolo si basa su ampi studi teorici effettuati a partire dal 1964 e altri molto di più recenti effettuati al CERN, il laboratorio europeo di fisica delle particelle, e al Fermi National Accelerator Laboratory.
La precisione raggiunta senza precedenti dei valori misurati sperimentali, che incorporano le distanze come minuti in un millesimo di femtometer (un femtometer è 1/1, 000.000.000.000.000 th di un metro, la dimensione del nucleo di un atomo di idrogeno), ha permesso al team di scienziati di seguire il processo in estremo dettaglio: il decadimento dei quark (i singoli componenti di molte particelle subatomiche del Modello Standard) e dentro e fuori l'esistenza di altre fugaci particelle subatomiche.
Questo processo di base è oscurato da una marea di coppie quark-antiquark e da una nuvola di gluoni che li tengono insieme. A questa distanza, i gluoni cominciano a legare i quark nelle particelle osservate. L'ultima parte del problema è quello di mostrare il comportamento dei quark mentre orbitano uno intorno all'altro, muovendosi quasi alla velocità della luce attraverso uno sciame formato da gluoni e coppie di quark ulteriori e antiquark, e infine formare i pioni della decadenza sotto studio.
Per "tradurre" la matematica necessaria a descrivere queste interazioni in un problema computazionale ha richiesto la creazione di potenti metodi numerici e delle innovazioni tecnologiche che hanno reso possibile l'attuale generazione di supercomputer massivamente paralleli con picchi di velocità di calcolo di centinaia di teraflops. (Teraflop= Un computer può eseguire un milione di milioni di operazioni al secondo).
Il reale decadimento dei Kaoni descritto dal calcolo si estende su scale a distanza di quasi 18 ordini di grandezza, dalle più brevi distanze di un millesimo di femtometer, ben al di sotto delle dimensioni di un atomo, all'interno del quale un tipo di decadimenti di quark in un altro, fino alla scala del metro di tutti i giorni con cui si osserva il decadimento in laboratorio. Questo intervallo è simile ad un confronto della dimensione di un singolo batterio e la dimensione del nostro Sistema Solare.
Gli scienziati hanno effettuato il calcolo utilizzando i metodi del reticolo quantistico cromodinamico (QCD - la teoria che descrive le interazioni fondamentali quark-gluoni), in cui il decadimento è "immaginato" come luogo in un reticolo o griglia di punti spazio-temporali che possono essere inseriti in un computer. Quindi, le fluttuazioni quantistiche del decadimento vengono calcolate secondo un metodo statistico chiamato metodo "Monte Carlo", che fornisce di conseguenza la più probabile delle fluttuazioni. Il calcolo richiesto richiederebbe 54 milioni di ore con un processore sul supercomputer BlueGene / P IBM installato presso l'impianto di dell'Argonne National Laboratory.
I calcoli precedenti sono stati fatti con il supercomputer QCDOC Brookhaven (per QCD su un chip), un prototipo per la serie BlueGene IBM.
Questo calcolo, se confrontato con le previsioni del Modello Standard, permette agli scienziati di determinare un importante quantitativo sconosciuto per la comprensione del decadimento Kaoni e la sua relazione alla violazione CP.
Un calcolo diretto di questo quantitativo residuo sconosciuto e un nuovo calcolo di maggiore precisione del risultato presente sarà l'obiettivo della ricerca futura, che richiederà ancor più potenza di calcolo.
"Fortunatamente", dice il co-autore Peter Boyle dell'Università di Edimburgo, "la prossima generazione di supercomputer dell'IBM sará installata nel corso dei prossimi mesi in molti centri di ricerca in tutto il mondo, tra cui il ALCF, l'Università di Edimburgo, il laboratorio KEK in Giappone, il Brookhaven Lab, e l'RBRC ".
Questi nuovi IBM BlueGene / Q sono tenuti ad avere da 10 a 20 volte le prestazioni delle macchine attuali, ha spiegato Boyle. "Con questa enorme spinta della potenza di calcolo si può ottenere una versione più accurata del nostro studio ed altri importanti dettagli verranno a portata di mano", ha detto.
"Questa è una bella sinergia tra scienza e computer, la scienza sta spingendo a realizzare enormi sviluppi informatici e i supercomputer stanno spingendo in avanti la scienza, a vantaggio della comunità scientifica e anche del mondo commerciale".
I calcoli sono stati eseguiti sotto la US Department of Energy (DOE) per il programma Innovation e Novel Impact Computational Theiory and Experiment (Incite) sul BlueGene / P supercomputer Intrepid in ALCF presso Argonne National Laboratory e il Cluster Ds al Fermi National Laboratory, computer risorse del Collaboration USQCD.
Parte delle analisi è stata effettuata sul Cluster iridis presso l'Università di Southampton e l'impianto Dirac nel Regno Unito.
La ricerca è stata sostenuta dall'Ufficio del DOE of Science, la scienza del Regno Unito and Technology Facilities Council, l'Università di Southampton, e il Laboratorio RIKEN in Giappone.
Fonte:
nemsisprojectresearch.blogspot.it/
www.sciencedaily.com/releases/2012/03/120329112207.htm