利用世界上最强大的超级计算机，一个由美国能源部(DOE)国家实验室的科学家组成的国际团队发布了一份关于质子和中子基本性质的最精确计算，即核子轴向耦合。这个量决定了激发中子衰变为质子的相互作用的强度，因此可以用来更准确地预测中子的寿命，结果发表在《自然》上。美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室里肯BNL研究中心(RIKEN BNL Research Center)的博士后研究员恩里科里纳尔迪(Enrico Rinaldi)说：中子衰变为质子这一事实在宇宙中是一个非常非常重要的事实。它基本上告诉你原子核是如何在大爆炸后形成的——由质子和中微子组成。
背景中的网格表示理论物理学家用来计算粒子性质的计算格，称为核子轴向耦合。这个性质决定了W玻色子(白色波浪线)如何与中子(前景中的大透明球体)中的夸克相互作用，在一个叫做衰变的过程中发射电子(大箭头)和反电子(点箭头)，这个过程将中子转变成质子(遥远的透明球体)。图片：Evan Berkowitz/ Jülich Research Center, Lawrence Livermore National Laboratory
中子寿命还与目前宇宙中氢、氦等原子的相对丰度有关，以及这种平衡将如何影响未来恒星的形成。新的计算方法也可以帮助科学家确定实验测量中子寿命的两种方法中，哪一种更准确，以及这两种方法之间的几秒钟差异是否可能预示着即将被发现的粒子的存在。由能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的Andre Walker-Loud领导的轴向耦合计算工作，使用了劳伦斯利弗莫尔国家实验室和橡树岭领导力计算设施(OLCF)的计算资源。Walker-Loud说：这是一个为期两年半的紧张项目，它的出现是由一群伟大的人共同完成的。
中子衰变的细节
当你想到构成我们今天世界的原子，你可能会想到中子是相对稳定的。例如，由大量碳原子构成的木桌，看上去不会以任何明显的方式腐烂。但是如果你从其中一个碳原子中取出一个孤立的中子，它会在不到15分钟的时间内转化成一个质子。使这一切发生的过程是一个量子力学的相互作用，它是在被称为W玻色子的外部粒子和被称为夸克和胶子的中子的内部构造块之间进行的。这种相互作用改变了组成夸克的恒等，因此改变了粒子的整体恒等。但里纳尔迪说，这是一幅过于简单化的画面。这是在非常高的能量下发生的，可以将夸克和胶子近似为自由物体。
在现实世界中，在较低的能量下，夸克和胶子是被限制的，或者在质子和中子等粒子中结合在一起，里纳尔迪解释道。这些夸克和胶子以无数种方式相互作用。不能确切地说出中子中所有成分的速度和位置。它是由夸克和胶子以及它们之间的相互作用组成的量子力学束。引起中子衰变的W玻色子相互作用的强度取决于所有这些内部相互作用的总和。W玻色子看到的是核子轴向耦合常数，这个数值可以参数化W玻色子与中子内部成分之间的所有相互作用。
运行超级计算实验
要计算轴向耦合常数，还是g?物理学家们使用强大的超级计算机来解决量子色动力学(QCD)的方程式——强核力理论，它支配着夸克和胶子的相互作用。这些复杂的方程可以被看作包含了超过一百万的变量，这些变量解释了所有可能的相互作用。如果没有一种称为晶格QCD的技术，它们是不可能解决的。晶格QCD将粒子放置在假想的时空四维网格(三维空间维度加上时间)的离散点上，计算相邻粒子的所有可能的相互作用，然后将它们组合成最终结果。整个计算部分相当简单，有一台计算机和一个能解决这些方程的代码。”您在计算机上运行代码，进行分析，并提取结果。
这有点像做实验，因为有很多步骤和部分——类似于粒子加速器，它的探测器，碰撞和数据收集——必须控制每一个步骤。里纳尔迪的作用之一是为“实验”创造输入——一系列的模拟，每个都包含不同的中子质量。人为地使中子的质量膨胀，使方程式更容易使用。当你试图分析现实世界中发生的事情时，算法变得越来越难使用，需要更多的计算时间来解决。会有巨大的误差条。但是如果你人为地改变等式的输入——使中子更大——就更容易计算。可以在更高质量的情况下得到非常精确的结果，然后把结果放在一起，推断出真实世界的情况。
减少噪音以提取信号
但是改变输入只能起到这么大的作用。伯克利实验室领导的研究小组在精度上的最大飞跃(相对于其他使用类似方法计算g?A的研究小组而言)来自于对实验“探测器”的改进。研究小组对中子的性质很感兴趣。但是夸克和胶子的量子力学相互作用也能产生“激发态”，看起来像中子，但不是中子。这些激发态产生的“噪声”会污染信号。伯克利实验室团队发现了如何过滤噪声，从而首次实现了1%的精度阈值，这是格构QCD计算的黄金标准。伯克利实验室的博士后Chia Cheng“Jason”Chang说：当测量轴向耦合时，信噪比随中子运动时间的增加而呈指数级下降，过去的计算都是在这个更嘈杂的环境中进行的。
找到了一种方法，在噪音接管并破坏实验之前提取测量结果。科学家们已经利用新的核子轴向耦合计算，推导出一个纯理论的中子寿命预测。现在这个新值与这两种实验测量的结果是一致的，只不过相差9秒。有一个中子寿命的数字:14分40秒，误差棒为14秒。这正处于两种实验测量值的中间，误差条很大，而且两者都重叠。随着来自更强大的超级计算机的统计数据越来越多，研究小组希望将不确定度降低到0.3%左右。这就是开始区分两种测量中子寿命的不同实验方法的结果的地方。这一直是最令人兴奋的部分：当理论对实验有了一些要说的时候。最终，该团队的计算技术所支持的这种计算方法和其他计算方法可以提高我们对质子和中子的理解，并帮助我们回答关于核物理、暗物质和宇宙性质的其他悬而未决的问题。
