Åbner protonen

Fysikere rundt om i verden åbner protonen, inden for atomkernen, for at se, hvad der er indeni.

Protonen er en grundlæggende byggesten i atomkernen, og blandt andet bruges det som en medicinsk sonde i magnetisk resonansbilleddannelse. Det har også en rig indre struktur, der består af subatomære partikler kaldet kvarker og gluoner, som binder kvarkerne sammen.

Forskere kører et unikt eksperiment med verdens største partikelfysiklaboratorium og verdens hurtigste universitets supercomputer for at se og forstå den dynamiske verden inde i protonen.

Cirka 240 fysikere i 12 lande og 24 institutioner samarbejder om COMPASS -eksperimentet - kort for Common Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy - på CERN, den europæiske organisation for atomforskning. De udforsker protonstrukturen der ved at bryde den fra hinanden i partikelkollisioner ved hjælp af partikelstråler fra CERN North Area's Super Proton Synchrotron og et spin-polariseret fast mål.

Protonens smadrede inderside er usynlig for det blotte øje og kræver store detektorer, som registrerer og digitaliserer information om partiklen og gemmer den i et specielt dataformat. For at fortolke dataene, fysikere behandler det ved hjælp af komplekse algoritmer.

"Det rumlige mønster og hastighederne på de fragmenterende partikler giver os mulighed for at skabe et dynamisk billede af protonen og andre objekter sammensat af kvarker, "sagde Caroline Riedl, forskningsassistent i atomfysik ved University of Illinois i Urbana-Champaign (UIUC). Med hendes UIUC -gruppe, Riedl er involveret i COMPASS polariserede Drell-Yan-programmet og var COMPASS teknisk koordinator for 2018-løbet.

Hendes team har tidligere brugt Blue Waters -supercomputeren på National Center for Supercomputing Applications til at behandle de mange petabyte COMPASS -data. Hun udvider sin forskning om Frontera -systemet ved Texas Advanced Computing Center (TACC), den femte mest magtfulde og den hurtigste universitets supercomputer i verden.

Frontera vil øge analysen af ​​de eksisterende COMPASS -data taget mellem 2015 og 2018. Analyse af de COMPASS -data, der blev indsamlet mellem 2015 og 2018, hendes team sammen med de samarbejdende COMPASS-kolleger kunne for første gang bekræfte den teoretisk forventede tegnændring af Sivers-funktionen i Drell-Yan-spredning i forhold til Deep-Inelastic Scattering.

Denne såkaldte Sivers TMD ("Transverse-Momentum Dependent") -fordeling stammer fra korrelationer mellem protonspin og kvark-tværgående momentum og ser således ud til at være forbundet med kvark-orbitalbevægelse inde i protonen. Observation af tegnændringen af ​​Sivers TMD er en af ​​få NSAC (Nuclear Science Advisory Committee) milepæle for DOE- og NSF-finansieret forskning i atomfysik.

COMPASS -eksperimentet skyder en stråle af pioner (partikler lavet af kvarker) på et fast mål. Eftervirkningen er kroniseret af 240 sporingsplaner, der følger stien til de subatomære partikler, der frigives. Det er her, hvor beregningsudfordringerne bliver tunge.

"Proceduren med at finde partikelspor, der kommer fra interaktionspunktet og krydser hundredvis af COMPASS-detektorlag, er CPU-intensiv, "Sagde Riedl. Sporingsproceduren er et af de første trin i dataanalysen. En yderligere meget CPU-dyr opgave er prøveudtagning af omkring to procent af dataene for at bestemme effektivitet for detektorflyene, ifølge Riedl.

At levere dataene rettidigt til fysikanalyser er en hindring.

"Udfordringen består i at parallelisere indsendelser af sporingskoden på computergitteret, samtidig med at systemet respekteres med hensyn til I/O og antallet af anmodede computernoder. En typisk produktionskampagne kræver omkring 50, 000, ideelt set parallelt, indsendelse af sporingskoden, "Sagde Riedl.

Alt i alt, omkring tre petabyte COMPASS -data er blevet flyttet fra Blue Waters til TACC's Ranch storage management system, som gør det muligt at analysere det på Frontera.

Ud over at analysere tidligere COMPASS -data, hendes team bruger Frontera til at designe nye detektorer til det fremtidige COMPASS ++ /AMBER eksperiment. Denne nye facilitet ved M2 -strålelinjen i CERN Super Proton Synchrotron vil gøre det muligt for en lang række målinger at løse fundamentale spørgsmål om kvantekromodynamik.

Det foreslåede program dækker målinger af protonladningsradius ved hjælp af stråler af muoner, elementarpartikler, der ligner elektronen, men med meget større masse; spektroskopi af mesoner og baryoner ved hjælp af dedikerede mesonstråler; studiet af meson- og baryonstruktur via Drell-Yan-processen; og til sidst den grundlæggende søgen efter fremkomsten af ​​hadronisk masse.

Riedl er drevet af grundlæggende spørgsmål i hjertet af protonen. Hvordan bevæger kvarkerne sig inde i protonen, og hvad er deres kredsløb? Hvordan fordeles kvarker i protonen? Og hvordan genererer kvarker og gluoner de store observerede kernemasser?

Sidstnævnte spørgsmål får adgang til det fremtidige COMPASS ++/AMBER -eksperiment på CERN, ifølge Riedl.

"Vi kører masseproduktioner af COMPASS -data om Frontera, bestemme effektiviteten af ​​detektoren og simulere COMPASS og COMPASS ++/AMBER data. De simulerede data spiller en central rolle i forståelsen af ​​subtile detektoreffekter og supplerer de eksperimentelle data, "Riedl sagde." Frontera giver os mulighed for at analysere COMPASS -data rettidigt og med den præcision, der kræves for at opnå en absolut normalisering af dataene med de mindst mulige usikkerheder. "

Riedl håber, at forbedret analyse af Frontera vil give forskere mulighed for at nå opdagelser inde i protonen hurtigere end nogensinde.

"Kun Frontera tillader de detaljerede simuleringer, der er nødvendige for at optimere instrumenteringsopgraderinger til det fremtidige COMPASS ++/AMBER -eksperiment, "tilføjede hun." Frontera er et førende supercomputersystem finansieret af National Science Foundation, der vil give amerikanske forskere mulighed for at konkurrere med internationale forskerhold. "

Riedls forskning passer ind i det større billede af forståelse af kernefysik og kvantekromodynamik, feltteorien om den stærke atomkraft. Hun undersøger spørgsmål som hvordan kvarker og gluoner danner stofets kerner, og hvordan protoner kan beskrives med hensyn til Parton Distribution Functions, "partoner", der mere generelt henviser til kvarker og gluoner.

"Det særlige ved vores eksperimenter ligger i brugen af ​​spin-polariserede partikelbjælker på spin-polariserede faste mål, "Riedl sagde." Ved at indføre tværgående kvarkmoment, spin, og orbital vinkelmoment ind i formalismen, protonunderbygning bliver på samme måde rig som understrukturen af ​​brintatomet, som først blev beskrevet i 1930'erne, "tilføjede hun." I løbet af de tidlige årtier af det 21. århundrede, proton hyperfin struktur er flyttet ind i fokus for spinfysikere. "

Utrættelig nysgerrighed driver hendes arbejde.

”Mennesker er og har altid været nysgerrige efter at finde ud af, hvad der holder verden sammen, "Riedl sagde." Vi forsøger at opklare oprindelsen af ​​objektsmassen i vores daglige liv og kortlægge protonens dynamiske kvarkstruktur. "