De fleste forbinder nok moderne fysik og jagten på nye partikler med ATLAS- og CMS-eksperimentet ved CERN instituttet, hvor fysikere i marts 2013 kunne bekræfte, at de havde fundet den eftertragtede Higgs-partikel.
LÆS også: Efter Higgs: Jagten på ny fysik
Men faktisk foregår en stor del af forskningen slet ikke ved at slynge atomer sammen i underjordiske partikelacceleratorer, nej, i stedet bliver den udregnet af netværk af computere, som er spredt over hele verden.
Et af de netværk befinder sig i kælderen under Syddansk Universitet og anvendes af forskerholdet bag CP3-Origins (Center of Excellence for Cosmology and Particle Physics Phenomenology) til at forske i fysikken ud over standardmodellen, der er fysikernes hidtil bedste bud på, hvordan universets mindste bestanddele hænger sammen.
»Fysikken bliver hele tiden mere og mere kompleks, og tiden for papir og blyant er forbi. Vi vil bruge computerne til at eliminere alle de forkerte modeller,« forklarer professor Claudio Pica fra CP3-Origins, der leder et projekt, som skal løse fysikkens ubesvarede spørgsmål ved hjælp af computerkraft.
En model med mangler
Gennem de seneste år er fysikerne dog begyndt at anfægte gyldigheden af standardmodellen. Der er nemlig flere ting, som den ikke kan forklare; blandt andet forekomsten af mørkt stof, som udgør op mod 85 procent af alt stof i universet.
»Vi ved, at der er en masse mørkt stof i universet, men vi ved ikke, hvad det er lavet af, vi ved bare, at det ikke er nogle af partiklerne, som vi kender fra standardmodellen,« siger professor Claudio Pica.
For at forklare standardmodellens mangler er der blevet opstillet alternative modeller, vidt forskellige, men med det tilfælles, at de alle forudsiger eksistensen af nye eksotiske partikler, der alle ligger ud over standardmodellens rammer.
Eksotiske partikler ligger skjult
Problemet er, at man ikke ved, om de eksotiske partikler eksisterer eller ej – og dermed heller ikke om en given model holder vand.
Og det er ikke let at finde partiklerne. Selvom Higgs-partiklen blev forudsagt tilbage i 1964, tog det 49 år, før den var bekræftet eksperimentelt. Det skyldtes blandt andet, at man ikke vidste, hvilken masse Higgs-partiklen skulle have, og derfor var forskerne nødt til at gennemtrawle et enormt område af forskellige energiniveauer, før man kunne finde partiklen.
\ Fakta
Standardmodellen er en matematisk ramme, som beskriver de 16 fundamentale partikler – nu 17 efter opdagelsen af Higgs-partiklen – der er bærere af tre af de fire naturkræfter: elektromagnetismen, den svage kernekraft og den stærke kernekraft. Standardmodellen er den mest anvendte teori inden for partikelfysikken, da den hidtil har givet det mest præcise billede af virkeligheden. Standardmodellen er dog ikke komplet, og den kan blandt andet ikke forklare, hvad mørkt stof er. Derfor er flere fysikere begyndt at lede efter svar, der går ud over standardmodellen.
Det samme gør sig gældende for de nye partikler i de nye modeller. Man kender hverken deres masse eller deres parring (coupling), der siger noget om, hvordan partiklerne kan reagere med andre partikler.
Enter the matrix
Det gør det utrolig svært for de omkring 2.000 eksperimentelle fysikere ved CERN at opdage de enkelte partikler, men her kommer computerens overlegne regnekapacitet ind i billedet.
»Vi kan give computeren alle de fundamentale partikler – byggeblokke om man vil – og så finder den ud af, hvordan det hele passer sammen baseret på modellen,« forklarer Claudio Pica fra CP3-Origins.
På den måde beregner computeren en præcis værdi for både masse og parring for de teoretiske partikler.
»Forestiller vi os så, at en model forudsiger, at der er en partikel med en masse omkring 2,5 TeV (tera-elektronvolt), som interagerer med Higgs-partiklen på en bestemt måde, så kan vi tage de resultater og give dem til fysikerne ved CERN,« siger Claudio Pica.
Ved CERN kan de så indstille måleinstrumenterne til at lede efter en partikel i omegnen af de 2,5 TeV, som Claudio Picas hold har specificeret. Hvis de finder den, kan modellens gyldighed bekræftes.
Og omvendt.
»Hvis de eksperimentelle data fra CERN ikke passer med den model, vi simulerer, så kan den ikke være rigtig – det er ikke tilladt af naturen,« forklarer Claudio Pica.
Minimal model giver et nemmere billede af naturen
Fra computeren på sit kontor kan Claudio Pica styre de 2.104 processorerkerner, der udgør Horsehoe 6 clusteret – den kraftigste af Syddansk Universitets fem supercomputere. I alt kan den levere op mod 44,7 TFlops, hvilket svarer til 44,7 billioner beregninger i sekundet.
Den processorkraft bliver brugt til at simulere en bestemt model, der hedder Minimal Walking Technicolor, som vi før har omtalt på Videnskab.dk.
LÆS også: Stoffets hemmelighed skal afsløres i Odense
(Illustration: Wikimedia Commons)
»Strengt taget er det ikke én model, men flere, og vi studerer dem alle sammen,« forklarer Claudio Pica og forklarer, at teorien er blevet vigtig, fordi forskerne ved CERN netop nu prøver at bekræfte den.
Modsat andre konkurrenter som for eksempel supersymmetri, adskiller Minimal Walking Technicolor modellen sig nemlig ved kun at tilføje et minimalt antal nye, teoretiske partikler, og det gør det nemmere at bekræfte den eksperimentelt ved partikelacceleratoren.
Virtuelle eksperimenter tager måneder
Alligevel er computerne på SDU ikke nok til at køre de største simulationer.
»Når vi gerne vil bruge en stor computer, og dem er der ikke nogen af i Danmark, så er vi nødt til at ansøge om ’computertid’,« siger Claudio Pica.
En ’stor’ computer er i stand til at foretage minimum én billiard (1015) udregninger i sekundet. Det er såkaldte Peta-FLOP computere, og dem findes der kun en håndfuld af i hele verden.
I april afsluttede Claudio Pica seks måneders simuleringer på en af dem, nemlig FERMI supercomputeren i Bologna. I løbet af de seks måneder har den foretaget næsten 50 simuleringer af Minimal Walking Technicolor modellen – hver enkelt simulering ville have taget mellem to og seks måneder, hvis de skulle være kørt på SDU’s computere.
Computerlaboratoriet fortsætter forsøgene
De seks måneders simuleringer har indtil videre hverken kunnet afkræfte eller bekræfte om Minimal Walking Technicolor er den rigtige model – før det kan ske, skal eksperimenterne ved CERN først vise om de teoretiske partikler findes eller ej, og det vil tage tid.
Lige nu er den store partikelaccelerator lukket ned for vedligeholdelse, og eksperimentfasen starter først op igen i 2015.
I mellemtiden fortsætter de virtuelle eksperimenter ved CP3-Origins.
»Vi har muligvis afsluttet vores første simulationer, men de fortsætter stadig. Der er mange spørgsmål tilbage, som skal besvares,« slutter Claudio Pica.
