Få et stort kig på små partikler

Ved begyndelsen af ​​det 20. århundrede, videnskabsmænd opdagede, at atomer var sammensat af mindre partikler. De fandt ud af, at inde i hvert atom, negativt ladede elektroner kredser om en kerne lavet af positivt ladede protoner og neutrale partikler kaldet neutroner. Denne opdagelse førte til forskning i atomkerner og subatomare partikler.

En forståelse af disse partiklers strukturer giver afgørende indsigt i de kræfter, der holder stof sammen, og gør det muligt for forskere at anvende denne viden på andre videnskabelige problemer. Selvom elektroner har været relativt ligetil at studere, protoner og neutroner har vist sig at være mere udfordrende. Protoner bruges i medicinske behandlinger, spredningsforsøg, og fusionsenergi, men nuklear videnskabsmænd har kæmpet for præcist at måle deres underliggende struktur - indtil nu.

I en nylig avis, et hold ledet af Constantia Alexandrou ved University of Cypern modellerede placeringen af ​​en af ​​de subatomare partikler inde i en proton, kun ved at bruge den grundlæggende teori om de stærke vekselvirkninger, der holder stof sammen i stedet for at antage, at disse partikler ville virke, som de havde i eksperimenter. Forskerne brugte den 27 petaflop Cray XK7 Titan supercomputer på Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) og en metode kaldet gitter kvantekromodynamik (QCD). Kombinationen tillod dem at kortlægge subatomære partikler på et gitter og beregne interaktioner med høj nøjagtighed og præcision.

"At være i stand til at udføre disse beregninger og præcist kvantificere interaktionerne mellem partiklerne i en proton er afgørende for at opnå en bedre forståelse af protonen og en bedre forståelse af gitter QCD som helhed, " sagde Alexandrou. "F.eks. hvis vi finder noget nyt fra disse typer beregninger, som ikke er vist i eksperimentet, vi bliver måske nødt til at revurdere vores teoretiske begreber. Det ville være et væsentligt fund, selvfølgelig."

Kun et lederskabsklassesystem som OLCF's Titan er i stand til at udføre så tunge QCD-beregninger på en praktisk tid, sagde holdet. OLCF er et US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility beliggende ved DOE's Oak Ridge National Laboratory.

"Titan var perfekt for os på grund af sin hybride arkitektur, " sagde Alexandrou. "Vi ville ikke have formået at lave denne beregning uden denne form for kapacitet."

Bedriften er betydelig, fordi modellering af protonstrukturen fra gitter QCD vil give vigtig information om, hvordan stof holdes sammen på subatomær skala. En dybere forståelse af QCD kunne også give forskere mulighed for at udforske naturen af ​​det tidlige univers eller endda pege på ny fysik ud over den nuværende forståelse.

En forsvindende handling

Under en højenergipartikelkollision, en elektron smadrer ind i en proton, ryste protonens grundlæggende komponenter og derefter hoppe af. Protonen består af tre elementarpartikler – kaldet kvarker – samt gluonpartiklerne, der fungerer som bærere af den "stærke kraft", der binder kvarkerne tæt sammen som en pose kugler. kvarkerne - eller "partons, " som de oprindeligt blev betegnet i 1969 af fysikeren Richard Feynman - udveksle momentum med elektronen ved kontaktpunktet.

Når en kvark bliver "slået ud af posen, "der sker noget interessant. I stedet for at afsløre sig selv for iagttageren, kvarken parres umiddelbart med en antikvark skabt ud fra rummets vakuum, gør partiklen farveløs, hvilket betyder at det ikke kan observeres. Videnskabsmænd, imidlertid, kan bruge gitter QCD-beregninger til at finde ud af, hvor partonen kan være - og hvorfra den kan være kommet.

Gitter QCD gør det muligt at placere kvarker på gitterpunkter, og gluoner kan placeres på forbindelserne mellem disse punkter. Ved at bruge Monte Carlo statistiske stikprøvemetoder, avancerede algoritmer, og store computere, forskere kan nøjagtigt prøve QCD-vakuumet, den tilstand, hvor stof har den laveste mængde energi. Supercomputing er afgørende for gitter QCD, fordi jo større gitteret er, og jo tættere sammen er gitterpunkterne, jo mere nøjagtige kan simuleringerne være.

Ved hjælp af eksperimentelle data, videnskabsmænd kan udlede, hvor en parton kan være, men at beregne dens placering fra bunden viser sig at være sværere, fordi det kræver massive højtydende computerressourcer.

Holdet, i samarbejde med forskere ved Deutsches Elektronen-Synchrotron-Zeuthen og Temple University, brugt gitter QCD og en metode udviklet af Xiangdong Ji ved University of Maryland og Shanghai Jiao Tong University til at identificere de sandsynlige placeringer for en parton ved kun at bruge den underliggende teoretiske ramme for de stærke interaktioner - en evne, der kan hjælpe dem med at forstå mere præcist, hvad der er inde i en proton.

"Det er svært at studere protonernes egenskaber, fordi du ikke kan bryde dem op og studere dem, " sagde Alexandrou, forklarer, at den stærke kraft binder kvarker så tæt inde i en proton, at videnskabsmænd må studere de indre vekselvirkninger for at få ny indsigt. "Ethvert sammensat system i naturen, indtil nu, vi kunne bryde. Men vi kan aldrig nogensinde bryde protonen, så vi er nødt til at studere partiklerne inde i den."

Får fart med supercomputing

Problemets kompleksitet betød, at forskerne skulle udføre en række trin for at nå frem til et svar.

Det første skridt var at simulere QCD-vakuum nøjagtigt. Ved at bruge SuperMUC-computeren i Tyskland, gruppen simulerede gluonerne, kvarker, og antikvarker i et vakuum fyldt med negativ energi partikler kendt som Dirac havet. Hele vakuumet målte omkring 5 kubik femtometer (1 femtometer er 10-15 meter). Til sammenligning, et femtometer er 300 milliarder gange mindre end bredden af ​​et saltkorn.

Næste, Aurora Scapellato, en Marie Sklodowska-Curie-stipendiat ved University of Cypern, udførte beregninger på Titan, der viste, hvad der sker med en proton, når en elektron udstøder energi til den. Problemet kompliceres yderligere af, at protonen skal have en stor mængde momentum, mens den bliver målt.

Holdet brugte en kode kaldet QUDA-eller QCD på CUDA, et bibliotek for gitter-QCD-beregninger på GPU'er - til at udføre tusindvis af målinger over en 2-årig allokering gennem programmet Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment. Ti år siden, antallet af beregninger med tidligere arkitekturer ville have været begrænset til omkring hundrede inden for samme tidsramme.

"Det er utroligt, hvor mange flere beregninger vi er i stand til at lave med Titan, " sagde Alexandrou. "Vi har brug for endnu flere beregninger, før vi kan begynde at lave simuleringer, der er mere nøjagtige end eksperimenter. Og det ultimative mål er at finde ud af noget, vi endnu ikke ved."

Holdet har kørt simuleringer på større gitter og håber at tage projektet til næste niveau med endnu mere momentum. En større mængde momentum vil give mere nøjagtighed - men kun hvis der er nok beregning til korrekt kontrol for fejl. Udførelse af denne form for beregninger kan give forskerne et omfattende billede af protonens struktur og interaktioner.

Metoden har også potentiale til at blive anvendt på andre partikler.

"Til sidst, disse beregninger vil være nyttige til at vejlede eksperimentelister, " sagde Alexandrou. "Hvis vi har detaljerede oplysninger om protonen, vi kan fortælle eksperimentalister, hvad de skal måle, hvad man ikke skal måle, hvor skal man kigge, og hvor man ikke skal lede. Og gennem denne proces, vi kan endda opdage noget helt nyt."