Ved hjælp af supercomputere til at fordybe sig i materiens byggesten

Kernfysikere er kendt for deres atom-smadrende udforskninger af byggestenene i synligt stof. Ved Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), en partikelkollider ved US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory, og Large Hadron Collider (LHC) på Europas CERN -laboratorium, de styrer atomkerner ind i frontalkollisioner for at lære om de subtile interaktioner mellem kvarker og gluoner indeni.

For fuldt ud at forstå, hvad der sker i disse partikelsmashups, og hvordan kvarker og gluoner danner strukturen for alt, hvad vi ser i universet i dag, forskerne har også brug for sofistikerede beregningsværktøjer - software og algoritmer til sporing og analyse af data og til at udføre de komplekse beregninger, der modellerer, hvad de forventer at finde.

Nu, med finansiering fra DOE's Office of Nuclear Physics og Office of Advanced Scientific Computing Research i Office of Science, atomfysikere og beregningsforskere ved Brookhaven Lab vil hjælpe med at udvikle den næste generation af beregningsværktøjer til at skubbe feltet fremad. Deres software og arbejdsprocesstyringssystemer er designet til at udnytte de mangfoldige og konstant udviklende arkitekturer i DOE's Leadership Computing Facilities-nogle af de mest kraftfulde supercomputere og hurtigste datadelingsnetværk i verden. Brookhaven Lab vil modtage ca.

Brookhaven "hub" vil være en af ​​tre finansieret af DOE's Scientific Discovery gennem Advanced Computing -programmet for 2017 (også kendt som SciDAC4) under et forslag ledet af DOE's Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Det overordnede formål med disse projekter er at forbedre fremtidige beregninger af Quantum Chromodynamics (QCD), teorien, der beskriver kvarker og gluoner og deres interaktioner.

"Vi kan ikke bare lave disse beregninger på en bærbar computer, "sagde atomteoretikeren Swagato Mukherjee, hvem vil lede Brookhaven -holdet. "Vi har brug for supercomputere og specielle algoritmer og teknikker til at gøre beregningerne tilgængelige inden for en rimelig tidsramme."

Forskere udfører QCD-beregninger ved at repræsentere de mulige positioner og interaktioner mellem kvarker og gluoner som punkter på et imaginært 4-D rum-tids gitter. Sådanne "gitter -QCD" -beregninger involverer milliarder af variabler. Og kompleksiteten af ​​beregningerne vokser, efterhånden som de spørgsmål, forskere søger at besvare, kræver simuleringer af kvark- og gluoninteraktioner på mindre og mindre skalaer.

For eksempel, et foreslået opgraderet forsøg på RHIC kendt som sPHENIX har til formål at spore interaktionerne mellem mere massive kvarker med kvark-gluonplasma, der er skabt i kraftige ionkollisioner. Disse undersøgelser vil hjælpe forskere med at undersøge opførsel af det væskelignende kvark-gluonplasma ved kortere længder.

"Hvis du vil undersøge tingene på kortere afstandsskalaer, du skal reducere afstanden mellem punkter på gitteret. Men den samlede gitterstørrelse er den samme, så der er flere punkter, tættere pakket, "Sagde Mukherjee.

Tilsvarende når man udforsker kvark-gluon-interaktionerne i den tætteste del af "fasediagrammet"-et kort over hvordan kvarker og gluoner eksisterer under forskellige temperatur- og trykforhold-leder forskere efter subtile ændringer, der kan indikere eksistensen af ​​et "kritisk punkt , "et pludseligt skift i måden, hvorpå nukleart stof ændrer faser. RHIC -fysikere har en plan om at udføre kollisioner ved en række energier - en stråleenergiscanning - for at søge efter dette QCD -kritiske punkt.

"For at finde et kritisk punkt, du skal undersøge en stigning i udsving, hvilket kræver flere forskellige konfigurationer af kvarker og gluoner. Denne kompleksitet gør beregningerne af størrelsesordenen vanskeligere, "Sagde Mukherjee.

Heldigvis, der er en ny generation af supercomputere i horisonten, tilbyde forbedringer i både hastighed og måden behandlingen foretages på. Men for at udnytte disse nye muligheder maksimalt, softwaren og andre beregningsværktøjer skal også udvikle sig.

"Vores mål er at udvikle værktøjer og analysemetoder, der gør det muligt for den næste generation af supercomputere at hjælpe med at sortere igennem og give mening om varme QCD -data, "Sagde Mukherjee.

En central udfordring vil være at udvikle værktøjer, der kan bruges på tværs af en række nye supercomputerende arkitekturer, som også stadig er under udvikling.

"Ingen har lige nu en idé om, hvordan de vil fungere, men vi ved, at de vil have meget heterogene arkitekturer, "sagde Brookhaven -fysikeren Sergey Panitkin." Så vi er nødt til at udvikle systemer til at arbejde på forskellige slags supercomputere. Vi vil presse hver ounce ydelse ud af de nyeste supercomputere, og vi vil gøre det på et centralt sted, med et input og problemfri interaktion for brugerne, " han sagde.

Indsatsen vil bygge på erfaringer med at udvikle arbejdsgangsstyringsværktøjer til at indsætte fysiske data med høj energi fra LHC's ATLAS-eksperiment i lommer med ubrugt tid på DOE-supercomputere. "Dette er et godt eksempel på synergi mellem højenergifysik og atomfysik for at gøre tingene mere effektive, "Sagde Panitkin.

Et stort fokus vil være at designe værktøjer, der er "fejltolerante" - der automatisk kan omdirigere eller videresende job til de computerressourcer, der er tilgængelige, uden at systembrugerne skal bekymre sig om at stille disse anmodninger. "Ideen er at frigive fysikere til at tænke på fysik, "Sagde Panitkin.

Mukherjee, Panitkin, og andre medlemmer af Brookhaven-teamet vil samarbejde med forskere i Brookhavens Computational Science Initiative og teste deres ideer om interne supercomputereessourcer. De lokale maskiner deler arkitektoniske egenskaber med ledercomputere, omend i mindre skala.

"Vores små systemer er faktisk bedre til at prøve vores nye værktøjer, "Sagde Mukherjee. Med forsøg og fejl, de skal derefter skalere op, hvad der virker for de radikalt forskellige supercomputere i arkitekturen i horisonten.

De værktøjer, Brookhaven -teamet udvikler, vil i sidste ende gavne atomforskningsfaciliteter på tværs af DOE -komplekset, og muligvis også andre videnskabelige områder.