Como os pra³tons se fundem para alimentar o sol? O que acontece com os neutrinos dentro de uma estrela em colapso após uma supernova? Como os núcleos ata´micos se formaram a partir de pra³tons e naªutrons nos primeiros minutos após o Big Bang?

A simulação desses processos misteriosos requer alguns ca¡lculos extremamente complexos, algoritmos sofisticados e uma grande quantidade de poder de supercomputação.

O fa­sico tea³rico William Detmold organiza essas ferramentas para “olhar” para o reino qua¢ntico. "Ca¡lculos aprimorados desses processos nos permitem aprender sobre propriedades fundamentais do universo", diz ele. “Do universo visível, a maioria das massas écomposta de pra³tons. Entender a estrutura do pra³ton e suas propriedades parece muito importante para mim. ”

Pesquisadores do Large Hadron Collider (LHC), o maior acelerador departículas do mundo, investigam essas propriedades esmagandopartículas e examinando os destroa§os subata´micos em busca de pistas sobre o que compaµe e une a matéria.

Detmold, professor associado do Departamento de Fa­sica e membro do Centro de Fa­sica Tea³rica e do Laborata³rio de Ciência Nuclear, parte dos primeiros princa­pios - a teoria do Modelo Padra£o da Fa­sica de Parta­culas.

O Modelo Padra£o descreve três das quatro forças fundamentais da física departículas (com exceção da gravidade) e todas aspartículas subatômicas conhecidas.

A teoria conseguiu prever os resultados dos experimentos várias vezes, incluindo, talvez o mais famoso, a confirmação de 2011 pelos pesquisadores do LHC da existaªncia do ba³son de Higgs. 

Um foco central da pesquisa de Detmold é"confrontar dados experimentais" de experimentos como o LHC. Apa³s planejar os ca¡lculos, executa¡-los em vários supercomputadores e analisar a enorme quantidade de estata­sticas que eles geram - um processo que pode levar de seis meses a vários anos - Detmold e sua equipe “pegam todos esses dados e fazem muitas análises extrair quantidades-chave da física - por exemplo, a massa do pra³ton, como um valor numanãrico com um intervalo de incerteza. ”

"A minha principal preocupação nesse aspecto écomo essa análise afetara¡ os resultados experimentais", diz Detmold. "Em alguns casos, fazemos esses ca¡lculos para interpretar os experimentos realizados no LHC e perguntamos: o modelo padrãodescreve o que estãoacontecendo la¡?"

Detmold fez importantes avanços na solução das equações complexas da cromodina¢mica qua¢ntica (QCD), uma teoria qua¢ntica de campos que descreve as fortes interações dentro de um pra³ton, entre quarks (o menor constituinte conhecido da matéria) e glaºons (as forças que os unem) )

Ele realizou alguns dos primeiros ca¡lculos de QCD de certas reações de decaimento de partículas Eles tem, na maioria das vezes, alinhado muito de perto com os resultados do LHC.

"Nãohádiscrepa¢ncias realmente gritantes entre o Modelo Padra£o e os resultados do LHC, mas existem algumas tensaµes interessantes", diz ele. "Meu trabalho tem analisado algumas dessas tensaµes."

O interesse de Detmold pela física qua¢ntica data de seus dias de estudante, crescendo em Adelaide, na Austra¡lia. “Lembro-me de ler um monte de livros populares de ciência quando criana§a”, lembra ele, “e de estar muito intrigado com quarks, glaºons e outraspartículas fundamentais, e querer entrar nas ferramentas matemáticas para trabalhar com eles”.

Ele continuaria a obter seu diploma de bacharel e doutorado na Universidade de Adelaide. Quando estava estudando matemática, encontrou um professor que abriu os olhos para os mistanãrios da meca¢nica qua¢ntica. “Foi provavelmente a aula mais emocionante que já tive. E eu ensino isso agora.

Ele estãoministrando esse curso introduta³rio sobre meca¢nica qua¢ntica no MIT hálguns anos, e tornou-se ha¡bil em detectar os alunos que são igualmente aproveitados pelo assunto. “Em todas as aulas, hálunos que vocêpode ver o entusiasmo escorrendo da pa¡gina enquanto escrevem seus conjuntos de problemas. a‰ emocionante interagir com eles. ”

Embora ele nem sempre possa trazer toda a complexidade de sua pesquisa para essas conversas, ele tenta impregna¡-las com o espa­rito de sua empresa: como fazer perguntas que possam gerar novas ideias sobre as estruturas profundas do universo.

"Vocaª pode enquadrar as coisas de maneira a inspirar os alunos a pesquisar e se esforçar para aprender mais", diz ele. “Muito do ensino émotivar os alunos a descobrir mais eles mesmos, não apenas a transmissão de informações. E espero inspirar meus alunos da maneira que meu professor me inspirou. ”

Ele acrescenta: “Com todos nospresos em casa ou em locais remotos, não tenho certeza de que alguém esteja se sentindo particularmente inspirado no momento, mas essa pandemia acabara¡ eventualmente e, a s vezes, se perder nas complexidades das equações de Maxwell da¡ uma boa romper com o que estãoacontecendo no mundo. "

Quando ele não estãoensinando ou analisando dados de supercomputadores, Detmold geralmente ajuda a planejar melhores experiências.

O Electron-Ion Collider, uma instalação planejada para construção na próxima década no Brookhaven National Lab em Long Island, tem como objetivo avana§ar o entendimento da estrutura interna do pra³ton. Alguns dos ca¡lculos de Detmold tem como objetivo fornecer uma imagem qualitativa da estrutura dos glaºons dentro do pra³ton, para ajudar os projetistas do projeto a saber o que procurar, em termos de ordens de grandeza para detectar determinadas quantidades.

"Podemos fazer previsaµes para o que veremos se vocêa projetar de uma certa maneira", diz ele.

Detmold também se tornou um especialista em orquestrar projetos complexos de supercomputação. Isso implica descobrir como executar um grande número de ca¡lculos de maneira eficiente, dada a disponibilidade limitada de tempo e poder de supercomputação.

Ele e os membros de seu laboratório desenvolveram algoritmos e infraestrutura de software para executar esses ca¡lculos em supercomputadores macia§os, alguns dos quais com diferentes tipos de unidades de processamento que tornam o gerenciamento de dados complicado. "a‰ um projeto de pesquisa por si são, como executar esses ca¡lculos de uma maneira eficiente".

De fato, Detmold gasta tempo trabalhando em como melhorar os manãtodos para chegar a  resposta. Novos algoritmos, ele diz, são a chave para avana§ar a computação para enfrentar novos problemas, calcular estruturas e reações nucleares no contexto do Modelo Padra£o.

"Digamos que haja uma quantidade que queremos calcular, mas com as ferramentas que temos no momento, são necessa¡rios 10.000 anos para rodar um supercomputador", diz ele. "Apresentar uma nova maneira de calcular algo que realmente torna possí­vel fazer - isso éemocionante".

Mas mistanãrios fundamentais ainda estãono centro do trabalho de Detmold. Amedida que os quarks e glaºons se afastam, a força de suas interações aumenta. Para entender o que estãoacontecendo nesses estados de baixa energia, ele avançou o uso de uma técnica computacional conhecida como cromodina¢mica qua¢ntica em rede (LQCD), que coloca os campos qua¢nticos dos quarks e glaºons em uma grade discreta de pontos para representar o Espaço-tempo .

Em 2017, Detmold e colegas fizeram os primeiros ca¡lculos do LQCD da taxa de fusão pra³ton-pra³ton - o processo pelo qual dois pra³tons se fundem para formar um deuteron.

Esse processo inicia as reações nucleares que alimentam o sol. Tambanãm éextremamente difa­cil estudar atravanãs de experimentos. "Se vocêtentar esmagar dois pra³tons, suas cargas elanãtricas significam que eles não querem ficar pra³ximos", diz Detmold.

"Isso mostra para onde esse campo pode ir", diz ele sobre o avanço de sua equipe. “a‰ uma das reações nucleares mais simples, mas abre a porta para dizer que podemos resolvê-las diretamente do Modelo Padra£o. Estamos tentando aproveitar esse trabalho e calcular reações relacionadas. ”

Outro projeto recente envolveu o uso do LQCD para estudar a formação de núcleos no universo em seus primeiros momentos. Além de analisar esses processos para o universo real, ele realizou ca¡lculos que alteram certos parametros - as massas de quarks e a intensidade com que eles interagem - para "prever" como as reações da nucleossa­ntese do Big Bang podem ter acontecido e o quanto elas pode ter afetado a evolução do universo.

"Esses ca¡lculos podem dizer qual éa probabilidade de acabar produzindo universos como o que vemos", diz Detmold.