Badania

Poszukiwanie cząstek ciemnej materii

Opublikowano: 15.12.2017

forum akademickie

Cząstki elementarne „nowej fizyki” muszą być tak masywne, że LHC ich nie wykryje. Taki wniosek płynie z 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 (Global and Modular Beyond-the-Standard-Model Inference Tool), w którym są naukowcy Instytutu Fizyki Jądrowej PAN.

– 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. Patrząc kompleksowo można znacznie szybciej zawężać obszary poszukiwań „nowej fizyki”, a z czasem także eliminować te modele, których przewidywania nie znalazły potwierdzenia w pomiarach – wyjaśnia dr Marcin Chrząszcz (IFJ PAN).

Pomysł zbudowania zestawu modułowych narzędzi programowych do globalnej analizy danych obserwacyjnych z różnych eksperymentów fizycznych zrodził się w 2012 roku w Melbourne, podczas międzynarodowej konferencji dotyczącej fizyki wysokich energii. Obecnie w skład grupy GAMBIT wchodzi ponad 30 badaczy z instytucji naukowych Australii, Francji, Hiszpanii, Holandii, Kanady, Norwegii, Polski, Stanów Zjednoczonych, Szwajcarii, Szwecji i Wielkiej Brytanii. Dr Chrząszcz, finansowany z grantu SONATA NCN, dołączył do zespołu GAMBIT trzy lata temu w celu opracowania narzędzi modelujących fizykę masywnych kwarków, ze szczególnym uwzględnieniem kwarków pięknych.

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? Aby odpowiedzieć na to pytanie, naukowcy z projektu GAMBIT opracowali zestaw narzędzi programowych pozwalających na kompleksową analizę danych zebranych w trakcie najbardziej wyrafinowanych współczesnych eksperymentów i pomiarów. Pierwsze wyniki, właśnie opublikowano w czasopiśmie „European Physical Journal C”.

Fizycy-teoretycy są głęboko przekonani, że Model Standardowy, nasza obecna, doskonale zweryfikowana teoria budowy materii, wymaga rozszerzenia. Silną przesłanką za istnieniem nieznanych cząstek elementarnych są m.in. ruchy gwiazd w galaktykach. Już w 1859 r. polski astronom Marian Kowalski odkrył, że ruchów bliskich nam gwiazd nie da się wytłumaczyć samym ruchem Słońca. Była to pierwsza przesłanka sugerującą obrót Drogi Mlecznej. W 1933 roku Szwajcar Fritz Zwicky z obserwacji gwiazd w gromadzie galaktyk Coma wywnioskował, że poruszają się one wokół centrów galaktycznych, tak jakby znajdowała się tam duża ilość niewidocznej materii. Do dziś jednak 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. Śladów „nowej fizyki” szukają też liczne grupy fizyków doświadczalnych. Każda z nich na podstawie przypuszczeń teoretycznych realizuje projekt badawczy, po czym zajmuje się analizą i interpretacją napływających z niego danych.

Weryfikowaniem propozycji nowej fizyki zajmuje się właśnie GAMBIT. Naukowcy wybierają model teoretyczny i wbudowują go w oprogramowanie, a następnie program skanuje wartości głównych parametrów modelu. Dla każdego zestawu parametrów są wyliczane przewidywania, które porównuje się z danymi z eksperymentów.

Istnieją modele, w których 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 – mówi dr Chrząszcz.

O skali wyzwań najlepiej świadczy łączny czas wszystkich dotychczasowych obliczeń: wyniósł aż 80 mln godzin (ponad 9100 lat). Przeprowadzono je na superkomputerze Prometheus, który pracuje w Akademickim Centrum Komputerowym Cyfronet Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, a dysponuje procesorami o ponad 53 tysiącach rdzeni i całkowitej mocy obliczeniowej 2399 teraflopsów (miliona milionów operacji zmiennopozycyjnych na sekundę).

Poszukiwaczom „nowej fizyki” projekt GAMBIT nie przynosi najlepszych wiadomości. Analizy sugerują, że jeśli cząstki supersymetryczne przewidywane przez zbadane modele istnieją, ich masy muszą być rzędu wielu teraelektronowoltów. W praktyce oznacza to, że zobaczenie takich cząstek w akceleratorze LHC będzie albo bardzo trudne, albo wręcz niemożliwe. Ale jest i cień nadziei. Kilka supercząstek – znanych jako neutralino, chargino, stau i stop – ma co prawda spore masy, lecz nie przekraczają one teraelektronowolta. Przy pewnej dozie szczęścia ich wykrycie w LHC pozostaje potencjalnie możliwe. Niestety, w tym gronie tylko neutralino jest uważane za potencjalnego kandydata na ciemną materię.

Kody wszystkich modułów pakietu GAMBIT są publicznie dostępne na stronie projektu (http://gambit.hepforge.org) i mogą być szybko zaadaptowane do analiz pod kątem nowych modeli teoretycznych. Naukowcy z projektu GAMBIT liczą, że otwartość kodu przyspieszy poszukiwania „nowej fizyki”.

Jk

(Źródło: IFJ PAN)


PARTNERZY

forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie