利用世界上最強大的超級計算機，一個由美國能源部(DOE)國家實驗室的科學家組成的國際團隊發佈了一份關於質子和中子基本性質的最精確計算，即核子軸向耦合。這個量決定了激發中子衰變為質子的相互作用的強度，因此可以用來更準確地預測中子的壽命，結果發表在《自然》上。美國能源部(DOE)布魯克海文國家實驗室裡肯BNL研究中心(RIKEN BNL Research Center)的博士後研究員恩里科里納爾迪(Enrico Rinaldi)說：中子衰變為質子這一事實在宇宙中是一個非常非常重要的事實。它基本上告訴你原子核是如何在大爆炸後形成的——由質子和中微子組成。
背景中的網格表示理論物理學家用來計算粒子性質的計算格，稱為核子軸向耦合。這個性質決定了W玻色子(白色波浪線)如何與中子(前景中的大透明球體)中的夸克相互作用，在一個叫做衰變的過程中發射電子(大箭頭)和反電子(點箭頭)，這個過程將中子轉變成質子(遙遠的透明球體)。圖片：Evan Berkowitz/ Jülich Research Center, Lawrence Livermore National Laboratory
中子壽命還與目前宇宙中氫、氦等原子的相對丰度有關，以及這種平衡將如何影響未來恆星的形成。新的計算方法也可以幫助科學家確定實驗測量中子壽命的兩種方法中，哪一種更準確，以及這兩種方法之間的幾秒鐘差異是否可能預示著即將被發現的粒子的存在。由能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的Andre Walker-Loud領導的軸向耦合計算工作，使用了勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和橡樹嶺領導力計算設施(OLCF)的計算資源。Walker-Loud說：這是一個為期兩年半的緊張項目，它的出現是由一群偉大的人共同完成的。
中子衰變的細節
當你想到構成我們今天世界的原子，你可能會想到中子是相對穩定的。例如，由大量碳原子構成的木桌，看上去不會以任何明顯的方式腐爛。但是如果你從其中一個碳原子中取出一個孤立的中子，它會在不到15分鐘的時間內轉化成一個質子。使這一切發生的過程是一個量子力學的相互作用，它是在被稱為W玻色子的外部粒子和被稱為夸克和膠子的中子的內部構造塊之間進行的。這種相互作用改變了組成夸克的恆等，因此改變了粒子的整體恆等。但里納爾迪說，這是一幅過於簡單化的畫面。這是在非常高的能量下發生的，可以將夸克和膠子近似為自由物體。
在現實世界中，在較低的能量下，夸克和膠子是被限制的，或者在質子和中子等粒子中結合在一起，里納爾迪解釋道。這些夸克和膠子以無數種方式相互作用。不能確切地說出中子中所有成分的速度和位置。它是由夸克和膠子以及它們之間的相互作用組成的量子力學束。引起中子衰變的W玻色子相互作用的強度取決於所有這些內部相互作用的總和。W玻色子看到的是核子軸向耦合常數，這個數值可以參數化W玻色子與中子內部成分之間的所有相互作用。
運行超級計算實驗
要計算軸向耦合常數，還是g?物理學家們使用強大的超級計算機來解決量子色動力學(QCD)的方程式——強核力理論，它支配著夸克和膠子的相互作用。這些複雜的方程可以被看作包含了超過一百萬的變量，這些變量解釋了所有可能的相互作用。如果沒有一種稱為晶格QCD的技術，它們是不可能解決的。晶格QCD將粒子放置在假想的時空四維網格(三維空間維度加上時間)的離散點上，計算相鄰粒子的所有可能的相互作用，然後將它們組合成最終結果。整個計算部分相當簡單，有一臺計算機和一個能解決這些方程的代碼。”您在計算機上運行代碼，進行分析，並提取結果。
這有點像做實驗，因為有很多步驟和部分——類似於粒子加速器，它的探測器，碰撞和數據收集——必須控制每一個步驟。里納爾迪的作用之一是為“實驗”創造輸入——一系列的模擬，每個都包含不同的中子質量。人為地使中子的質量膨脹，使方程式更容易使用。當你試圖分析現實世界中發生的事情時，算法變得越來越難使用，需要更多的計算時間來解決。會有巨大的誤差條。但是如果你人為地改變等式的輸入——使中子更大——就更容易計算。可以在更高質量的情況下得到非常精確的結果，然後把結果放在一起，推斷出真實世界的情況。
減少噪音以提取信號
但是改變輸入只能起到這麼大的作用。伯克利實驗室領導的研究小組在精度上的最大飛躍(相對於其他使用類似方法計算g?A的研究小組而言)來自於對實驗“探測器”的改進。研究小組對中子的性質很感興趣。但是夸克和膠子的量子力學相互作用也能產生“激發態”，看起來像中子，但不是中子。這些激發態產生的“噪聲”會汙染信號。伯克利實驗室團隊發現瞭如何過濾噪聲，從而首次實現了1%的精度閾值，這是格構QCD計算的黃金標準。伯克利實驗室的博士後Chia Cheng“Jason”Chang說：當測量軸向耦合時，信噪比隨中子運動時間的增加而呈指數級下降，過去的計算都是在這個更嘈雜的環境中進行的。
找到了一種方法，在噪音接管並破壞實驗之前提取測量結果。科學家們已經利用新的核子軸向耦合計算，推導出一個純理論的中子壽命預測。現在這個新值與這兩種實驗測量的結果是一致的，只不過相差9秒。有一箇中子壽命的數字:14分40秒，誤差棒為14秒。這正處於兩種實驗測量值的中間，誤差條很大，而且兩者都重疊。隨著來自更強大的超級計算機的統計數據越來越多，研究小組希望將不確定度降低到0.3%左右。這就是開始區分兩種測量中子壽命的不同實驗方法的結果的地方。這一直是最令人興奮的部分：當理論對實驗有了一些要說的時候。最終，該團隊的計算技術所支持的這種計算方法和其他計算方法可以提高我們對質子和中子的理解，並幫助我們回答關於核物理、暗物質和宇宙性質的其他懸而未決的問題。
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