使用世界上最快的超级计算机进行的新计算改进了物质与反物质的比较

利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kaon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。对比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他改进来指出标准模型未解释的物理现象。

理论家针对实验观测到的钾离子衰减的微小差异发布了改进的预测。

理论物理学家的国际合作，包括来自美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室（BNL）和RIKEN-BNL研究中心（RBRC）的科学家，已经发布了与该搜索有关的新计算，以解释这一优势。与宇宙中反物质有关的问题。这项名为RBC-UKQCD的合作还包括来自欧洲粒子物理研究中心（欧洲粒子物理实验室），哥伦比亚大学，康涅狄格大学，爱丁堡大学，麻省理工学院，雷根斯堡大学和雷根斯堡大学的科学家。南安普敦。他们在发表在《物理评论D》上的论文中描述了他们的结果，并被强调为“编辑的建议”。

科学家在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“ kaons”的亚原子粒子的衰变时，科学家首先观察到了物质和反物质行为的细微差异（称为违反“ CP对称性”）。在此之后不久将粒子物理学的标准模型组装在一起时，由于所需计算的复杂性，了解所观测到的在钾衰变中CP违规是否与标准模型一致已被证明是可望而不可及的。

通过新的计算，可以更准确地预测钾离子衰减为一对带电的介子与一对中性的介子的可能性。了解这些衰变并将预测与CERN和DOE的费米国家加速器实验室进行的最新技术实验比较，可以为科学家提供一种方法来测试物质与反物质之间的微小差异，并寻找无法解释的效应通过标准模型。

这项新计算代表了该小组先前在2015年《物理评论快报》上发布的结果的重大改进。基于标准模型，它给出了在Kaon衰减中所谓的“直接CP对称违反”的一系列值，该值与实验测量的结果一致。据我们所知，这意味着观察到的CP违规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，因为还有机会揭示物质/反物质不对称性的任何来源当前理论对我们世界的描述。

“标准模型的更准确的理论计算可能还不在实验测量范围之内。因此，至关重要的是，我们继续努力并完善我们的计算方法，以便我们能够对我们的基本理解提供更强大的检验。”布鲁克海文实验室理论家Amarjit Soni说。

物质/反物质不平衡

哥伦比亚大学的诺曼·克里斯特尔（Norman Christ）说：“物质与反物质之间的差异已内置在现代宇宙理论中。”“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创造的。除了此处要研究的微小影响外，物质和反物质在各个方面都应相同，超出了传统的选择，例如将负电荷分配给一个粒子并将正电荷分配给其反粒子。这两种类型的粒子在工作方式上的某些差异一定是为了使物质胜于反物质而达到了平衡。”他说。

他继续说：“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。”“如果发现基于标准模型的实验观察结果与预测结果之间存在重大差异，则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。”

夸克相互作用建模

所有表明物质与反物质之间存在差异的实验都涉及夸克制成的粒子，通过强力结合形成质子，中子和原子核的亚原子构造基块，以及不熟悉的粒子，如钾离子和介子。

Brookhaven国家实验室的克里斯托弗·凯利（Christopher Kelly）解释说：“每个凯恩和介子都由一个夸克和一个反夸克组成，被一堆虚拟的夸克-反夸克所包围，并被称为胶子的力载体捆绑在一起。”

因此，基于标准模型的这些粒子的行为计算必须包括夸克和胶子的所有可能的相互作用，正如现代强相互作用理论（称为量子色动力学（QCD））所描述的那样。

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的原理，它们控制着这种近光速的粒子相互作用。

哥伦比亚大学的王天乐指出：“由于涉及大量变量，这些是整个物理学中最复杂的一些计算。”

位于美国国家能源研究科学计算中心（NERSC）的Cori超级计算机是美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的美国能源部科学办公室用户设施。

为了克服挑战，理论家使用了一种称为晶格QCD的计算方法，该方法将粒子“放置”在一个四维的时空晶格（三个空间维加时间）上。这种盒状晶格使他们能够绘制出所有可能的量子路径，以使初始的kaon衰减到最后的两个pion。随着晶格点数量的增加，结果变得更加准确。Wang指出，此处报告的计算的“费曼积分”涉及对6,700万个变量的积分！

这些复杂的计算是使用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品或快照。提取实际的kaon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美国能源部科学办公室用户设施国家能源研究科学计算中心（NERSC）中执行的。

但是使用最快的计算机是不够的。这些计算仅在使用由作者开发用于计算的高度优化的计算机代码时，即使在这些计算机上仍然是可能的。

凯利说：“仅通过执行更多的计算，就无法显着提高结果的精确度。”“相反，为了加强我们对标准模型的测试，我们现在必须克服许多更基本的理论挑战。我们的合作已经在解决这些问题上取得了长足的进步，再加上计算技术的改进和近距离DOE超级计算机的强大功能，我们希望在未来三到五年内能取得更大的改进。”

参考：R. Abbott，T. ΔBlum，P.A.“从标→ππ准模型中直接CP违反和K的I = 1/2规则衰减”。 Boyle，M. Bruno，N.H. Christ，D.Hoying，C.Jung，C.Kelly，C.Lehner，R.D.Mawhinney，D.J.墨菲（C.T.） Sachrajda，A。Soni，M。Tomii和T. Wang（RBC和UKQCD合作），2020年9月17日，实物评
论D.DOI：10.1103 / PhysRevD.102.054509

本文的作者按字母顺序排列：Ryan Abbott（哥伦比亚），Thomas Blum（UConn），Peter Boyle（BNL和爱丁堡大学），Mattia Bruno（CERN），Norman Christ（哥伦比亚），Daniel Hoying（UConn），Chulwoo Jung（BNL），Christopher Kelly（BNL） ），克里斯托弗·莱纳（BNL和雷根斯堡大学），罗伯特·马威尼（哥伦比亚），大卫·墨菲（麻省理工学院），克里斯托弗·萨克拉达（南安普敦大学），阿马吉特·索尼（BNL），玛萨基·托米（UConn）和王天乐（哥伦比亚） 。

这项工作的大部分测量和分析都是使用NERSC的Cori超级计算机进行的，另外还有来自日本RIKEN实验室的高级计算和通信中心的Hokusai机器以及IBM BlueGene / Q（BG / Q）的安装在布鲁克海文实验室（由RIKEN BNL研究中心和美国能源部科学办公室的布鲁克海文实验室的主要运营合同提供支持）。用于开发晶格配置的其他超级计算资源包括：Brookhaven实验室的BG / Q安装，Argonne国家实验室的Argonne领导级计算设施（ALCF）的Mira超级计算机，日本的KEKSC 1540计算机，英国科学技术设施理事会爱丁堡大学的DiRAC机器和伊利诺伊大学的国家超级计算应用国家中心Blue Waters机器（由美国国家科学基金会资助）。NERSC和ALCF是美国能源部科学办公室的用户设施。个人研究人员获得了美国能源部科学办公室颁发的各种资助以及美国和其他国家/地区的其他来源的支持。