Simulazioni di Fisica delle Particelle
Le simulazioni al computer di collisioni di particelle ad alta energia fornisce un dettagliato riferimento teorico per le misurazioni effettuate negli acceleratori come il Large Hadron Collider (LHC), su cui i modelli di fisica sia conosciuta che sperimentale possono essere testati, fino al livello delle singole particelle.
Cercando discrepanze fra le simulazioni e i dati, si cerca qualunque tipo di differenza fra le teorie correnti e l'universo reale. Alla fine tale disaccordo potrebbe condurre alla scoperta di un nuovo fenomeno, che può essere associato ai nuovi principi fondamentali della natura.
Discrepanze meno spettacolari possono essere anche utili nel descrizione possibile più accurate del Modello Standard della Fisica delle Particelle e i suoi fenomeni - perfezionando le simulazioni di leggi della fisica conosciuta, puntando ad aree dove le simulazioni attuali hanno successo e dove falliscono.
Come si sa che è nuovo?
Risolvere le dinamiche delle particelle nella teoria quantistica dei campi è quasi tanto difficile quanto costruire gli acceleratori e gli esperimenti che effettuano le collisioni nel mondo reale. Effettuare una piccola parte di tali calcoli potrebbe essere il soggetto di un intero PhD per uno studente talentuoso - ed effettuarli completamente implica normalmente uno sforzo pluriennale con la collaborazione di molti fisici teorici delle particelle lavorando insieme. I calcoli sofisticati richiedono tipicamente enormi risorse informatiche, per esempio per indagare le interazioni dei quanti in un singolo "evento".
Spesso quindi le discrepanze osservato portano non ad un avanzamento della teoria stessa, ma ad un problema con l'abilità di modellare tutti i suoi aspetti con la più grande accuratezza raggiungibile dai sensori che sono usati nelle misurazioni del mondo reale con cui tali calcoli sono comparati.
E quindi cruciale essere capaci di distinguere fra il progesso di un modello di fisica teorica, e il progresso della teoria dietro di esso. Si è alla ricerca di tre possibili forme di discrepanza:
1. Tuning. Si trova una discrepanza, ma lo stesso modello può essere ancora usato per descrivere tutti i dati disponibili tramite un riaggiustamento dei suoi parametri. Di conseguenza nessun nuovo fenomeno è stato scoperto, il modello è stato limitato meglio, e le sue nuove limitazioni influiranno nei test futuri sullo stesso modello.
2. Modelling. Una discrepanza trovata che nessun aggiustamento dei parametri del modello ha la capacità di descrivere. Un fenomeno non incluso nel modello è stato (ri)scoperto. Un'analisi attenta delle approssimazioni usate nel modello devono quindi essere portate a sostegno per determinare se il modello può essere migliorato includendo parti precedentemente ignorate della stessa teoria, o..
3. Eureka!. Si trova una discrepanza che contraddice fondamentalmente la teoria sottostante. In questo caso, un nuovo fenomeno della natuerea è stato scoperto, le cui origini devono quindi essere trovate da successivi test e da nuovi modelli teorici.
Di che si tratta?
Tutto viene con l'accuratezza.Quando una discrepanza è trovata, la domanda centrale è: si trova dentro o fuori l'incertezza permessa dall'inaccuratezza dei calcoli? Bisogna costruire un modello informatico migliore? O serve una migliore teoria fisica? Il ciclo si ripete: modelli migliorati hanno di nuovo bisogno di essere testati, limitati, controllati approfonditamente con le prove empiriche, e alla fine scartati per dare spazio a più dettagliate descrizioni della natura.
L'accuratezza raggiungibile delle simulazioni della Fisica delle Particelle dipende sia dalle sofisticazioni delle simulazioni stesse, guidate dallo sviluppo e dall'implementazione di nuove idee teoriche, ma dipende anche in maniera cruciale dalle limitazioni disponibili sui parametri liberi dei modelli. Usando i dati esistenti per limitare gli ultimi è riferito come "tuning". Questo è dove i volontari connessi a Test4Theory possono aiutare.
Perché l'aiuto dei volontari è così importante?
La messa a punto di simulazioni di Fisica delle Particelle per mettere alla luce la miglior descrizione possibile di tutti i dati sperimentali disponibili può avere bisogno di un'estrema quantità di calcoli. Questo è dovuto al grande numero di serie di dati che sono disponibili dai precedenti esperimenti dell'acceleratore e alle lunghe simulazioni richieste per poter esplorare propriamente le code delle distribuzioni casuali. In ogni caso è più interessante come i nuovi dati provenienti dalle misurazioni consegnate dal LHC siano continuamente aggiunti a queste serie, con pubblicazioni di serie di dati sperimentali che aggiungono nuovi tasselli di conoscenza quasi su base settimanale.
Per affinare i modelli, i calcoli devono quindi essere continuamente sottoposti a una raffica di prove contro i dati misurati, per centinaia di combinazioni differenti di fisiche osservabili, fasci di energie e configurazioni dei modelli
Il processo è altamente adattato al calcolo distribuito visto che fa uso solamente di dati pubblici e che ogni serie può essere suddivisa arbitrariamente, fino alle simulazioni di un singolo evento di collisione. Qui è dove entrano i volontari connessi al progetto Test4Theory. Ad ogni computer dei volontari è assegnato un pezzetto degli eventi da simulare ed elaborare. C'è da notare che non è solamente l'elaborazione degli eventi ad essere effettuata nei computer dei volontari ma anche la simulazione vera e propria. Questo è quello che intendiamo quando diciamo che portiamo un LHC dentro i vostri computer e lo accendiamo.