Supercomputadoras IBM Blue Gene resuelven un enigma de la física pendiente desde medio siglo atrás
Casi 50 años ha permanecido sin solución una importante cuestión de la física: ¿Por qué el universo está hecho de materia? Se supone que en el Big Bang, la explosión colosal con la que se formó el universo, se generaron cantidades iguales de materia y antimateria. Sin embargo, sin nada que hubiera inclinado la balanza a favor de la materia, ésta y la antimateria se habrían aniquilado entre sí, sin dejar nada de ellas. En vez de eso, el Big Bang condujo a un universo observable hecho principalmente de materia, con escasas y fugaces apariciones de partículas de antimateria. ¿Por qué?
Una posible explicación es un fenómeno subatómico que ejerce ese papel de balanza inclinada a favor de la materia, y del que se detectaron las primeras evidencias en 1964. Lo que se observó fue la desintegración de una partícula subatómica conocida como kaón, dando lugar a dos partículas llamadas piones. Los kaones y los piones (como muchas otras partículas) están compuestos de quarks. Comprender la desintegración del kaón por medio de su composición en quarks ha representado un difícil problema para la física teórica. Eso ha dificultado el desarrollo, y sobre todo la validación, de una teoría para explicar este proceso, o en otras palabras, la búsqueda de una descripción matemática que se pueda usar para calcular con qué frecuencia ocurre este fenómeno, así como para estimar hasta qué punto el fenómeno habría podido inclinar la balanza a favor de la materia en el universo temprano, explicando así quizás el desequilibrio que existe entre la materia y la antimateria en el universo
Las supercomputadoras empleadas para los cálculos de desintegración del kaón han sido de la célebre familia Blue Gene de IBM. (Foto: Laboratorio Nacional de Brookhaven)
Las ecuaciones matemáticas de la teoría que describe cómo los quarks y los gluones interactúan tienen una multitud de variables y de posibles valores para esas variables. Era inviable para la mente humana realizar esta cantidad ingente de cálculos. Ni una legión de científicos humanos lo habría conseguido. Por lo que no quedó más remedio que esperar a que el desarrollo de las supercomputadoras alcanzase el nivel de potencia suficiente y que entonces los científicos retomaran esa colosal tarea matemática. Unos físicos diseñaron los complejos algoritmos necesarios y escribieron el software que algunas de las supercomputadoras más potentes del mundo han usado ahora para describir la conducta de los quarks y resolver el problema.
Imagen de la supercomputadora que tratará de recrear la historia del universo
En el software de los físicos, las partículas se colocan en una retícula de espacio-tiempo cuatridimensional imaginaria que consiste en las tres dimensiones espaciales más una para el tiempo. A un extremo del eje o dimensión que corresponde al tiempo se coloca el kaón, formado por dos tipos de quarks: un quark Strange y un quark Anti-Down, unidos gracias a la acción de los gluones. En el extremo contrario, los científicos colocaron los productos finales, lo que se traduce en los cuatro quarks que constituyen los dos piones. Entonces la supercomputadora calcula cómo el kaón se transforma en los dos piones a medida que avanza a través del espacio-tiempo.
Las supercomputadoras introdujeron decenas de miles de millones de números en la ecuación que describe esta parte del proceso para encontrar el resultado que debería reproducir los patrones de comportamiento y frecuencias observadas de la partícula en desintegración durante los experimentos.
Los miembros del grupo de teoría de la física de alta energía de Brookhaven Lab que estuvieron involucrados en los cálculos de descomposición kaon Sentado, de izquierda a derecha: Christoph Lehner, Amarjit Soni, Taku Izubuchi, Christopher Kelly, Chulwoo Jung. De pie, de izquierda a derecha: Eigo Shintani, Hyung-Jin Kim, Ethan Neil, Taichi Kawanai, Tomomi Ishikawa
El equipo de científicos que ha trabajado estrechamente con las supercomputadoras incluye a Taku Izubuchi, Christoph Lehner, Amarjit Soni, Christopher Kelly, Chulwoo Jung, Eigo Shintani, Hyung-Jin Kim, Ethan Neil, Taichi Kawanai y Tomomi Ishikawa.
Las supercomputadoras a las que se recurrió fueron de la célebre familia Blue Gene de IBM, alojadas en varias instituciones, entre ellas el Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Upton, Nueva York, y el Laboratorio Nacional de Argonne en Illinois, ambos centros en Estados Unidos.
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