Supercomputere hjælper videnskabsmænd med at studere de mindste partikler i universet

Siden 1930'erne, videnskabsmænd har brugt partikelacceleratorer til at få indsigt i stoffets struktur og fysikkens love, der styrer vores verden. Disse acceleratorer er nogle af de mest kraftfulde eksperimentelle værktøjer til rådighed, fremdrive partikler til næsten lysets hastighed og derefter kollidere dem for at give fysikere mulighed for at studere de resulterende interaktioner og partikler, der dannes.

Mange af de største partikelacceleratorer har til formål at give en forståelse af hadroner - subatomære partikler såsom protoner eller neutroner, der består af to eller flere partikler kaldet kvarker. Kvarker er blandt de mindste partikler i universet, og de bærer kun brøkdele af elektriske ladninger. Forskere har en god idé om, hvordan kvarker udgør hadroner, men egenskaberne af individuelle kvarker har været svære at drille ud, fordi de ikke kan observeres uden for deres respektive hadroner.

Ved at bruge Summit-supercomputeren i Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, et team af kernefysikere ledet af Kostas Orginos ved Thomas Jefferson National Accelerator Facility og William &Mary har udviklet en lovende metode til måling af kvark-interaktioner i hadroner og har anvendt denne metode til simuleringer med kvarker med tæt på fysiske masser. For at fuldføre simuleringerne, holdet brugte en kraftfuld beregningsteknik kaldet gitterkvantekromodynamik, eller LCDCD, kombineret med Summits computerkraft, nationens hurtigste supercomputer. Resultaterne blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

"Typisk, videnskabsmænd har kun kendt en brøkdel af kvarkernes energi og momentum, når de er i en proton, " sagde Joe Karpie, postdoc forsker ved Columbia University og førende forfatter på papiret. "Det fortæller dem ikke sandsynligheden for, at kvark kan blive til en anden slags kvark eller partikel. Hvorimod tidligere beregninger var afhængige af kunstigt store masser for at hjælpe med at fremskynde beregningerne, vi har nu været i stand til at simulere disse meget tæt på fysisk masse, og vi kan anvende denne teoretiske viden til eksperimentelle data for at lave bedre forudsigelser om subatomært stof."

Holdets beregninger vil supplere eksperimenter udført på DOEs kommende Electron-Ion Collider, eller EIC, en partikelkollider, der skal bygges ved Brookhaven National Laboratory, eller BNL, der vil give detaljerede rumlige og momentum 3-D kort over, hvordan subatomare partikler er fordelt inde i protonen.

At forstå egenskaberne af individuelle kvarker kan hjælpe videnskabsmænd med at forudsige, hvad der vil ske, når kvarker interagerer med Higgs-bosonen, en elementær partikel, der er forbundet med Higgs-feltet, et felt i partikelfysikteori, der giver masse til stof, der interagerer med det. Metoden kan også bruges til at hjælpe videnskabsmænd med at forstå fænomener, der er styret af den svage kraft, som er ansvarlig for radioaktivt henfald.

Simuleringer i de mindste skalaer

For at tegne et præcist billede af, hvordan kvarker fungerer, videnskabsmænd skal typisk gennemsnittet af egenskaberne af kvarker inde i deres respektive protoner. Ved at bruge resultater fra kollider-eksperimenter som dem ved Relativistic Heavy Ion Collider på BNL, Large Hadron Collider ved CERN eller DOE's kommende EIC, de kan udvinde en brøkdel af en kvarks energi og momentum.

Men at forudsige, hvor meget kvarker interagerer med partikler, såsom Higgs-bosonen, og at beregne den fulde fordeling af kvarkenergier og momenta har været langvarige udfordringer i partikelfysikken.

Bálint Joó sluttede sig for nylig til personalet på laboratoriets Oak Ridge Leadership Computing Facility, en DOE Office of Science brugerfacilitet. For at begynde at tackle dette problem, Joó henvendte sig til Chroma-softwarepakken til gitter-QCD og NVIDIAs QUDA-bibliotek. Gitter QCD giver videnskabsmænd mulighed for at studere kvarker og gluoner - de elementære limlignende partikler, der holder kvarker sammen - på en computer ved at repræsentere rumtid som et gitter eller et gitter, hvorpå kvark- og gluonfelterne er formuleret. Brug af Chroma og QUDA (til QCD på CUDA), Joó genererede øjebliksbilleder af stærkkraftfeltet i en terning af rumtid, vægtning af snapshots for at beskrive, hvad kvarkerne lavede i vakuumet. Andre teammedlemmer tog derefter disse øjebliksbilleder og simulerede, hvad der ville ske, når kvarker bevægede sig gennem det stærke kraftfelt.

"Hvis du taber en kvark i dette felt, det vil forplante sig på samme måde som, hvordan det at slippe en elektrisk ladning ind i et elektrisk felt får elektricitet til at forplante sig gennem feltet, " sagde Joó.

Med en bevilling af beregningstid fra DOE's Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment-program, samt støtte fra Scientific Discovery gennem Advanced Computing-programmet og Exacale Computing Project, holdet tog propagatorberegningerne og kombinerede dem ved hjælp af Summit for at generere endelige partikler, som de derefter kunne bruge til at udtrække resultater fra.

"Vi indstiller det, der er kendt som de nøgne kvarkmasser og kvark-gluon-koblingen i vores simuleringer, " sagde Joó. "De faktiske kvarkmasser, som opstår fra disse nøgne værdier, skal beregnes ud fra simuleringerne - f.eks. ved at sammenligne værdierne af nogle beregnede partikler med deres modstykker i den virkelige verden, som er eksperimentelt kendt."

Tegning fra fysiske eksperimenter, holdet vidste, at de letteste fysiske partikler, de simulerede - kaldet pi-mesonerne, eller pioner - bør have en masse på omkring 140 megaelektronvolt, eller MeV. Holdets beregninger varierede fra 358 MeV ned til 172 MeV, tæt på den eksperimentelle masse af pioner.

Simuleringerne krævede Summits kraft på grund af antallet af vakuum-snapshots, som holdet skulle generere, og antallet af kvarkpropagatorer, der skulle beregnes på dem. For at lave et skøn over resultaterne ved den fysiske kvarkmasse, beregninger skulle udføres ved tre forskellige masser af kvarker og ekstrapoleres til den fysiske. I alt, holdet brugte mere end 1, 000 snapshots over tre forskellige kvarkmasser i terninger med gitter fra 323 til 643 punkter i rummet.

"Jo tættere masserne af kvarkerne i simuleringen er på virkeligheden, jo sværere er simuleringen, " sagde Karpie. "Jo lettere kvarkerne er, jo flere iterationer kræves i vores løsere, så at komme til de fysiske kvarkmasser har været en stor udfordring i QCD."

Algoritmiske fremskridt bringer nye muligheder

Joo, som har brugt Chroma-koden på OLCF-systemer siden 2007, sagde, at forbedringer i algoritmer gennem årene har bidraget til muligheden for at køre simuleringer ved den fysiske masse.

"Algoritmiske forbedringer som multigrid-løsere og deres implementeringer i effektive softwarebiblioteker som QUDA, kombineret med hardware, der kan udføre dem, har gjort den slags simuleringer mulige, " han sagde.

Selvom Chroma er hans brød-og-smør-kode, Joó sagde, at fremskridt inden for kodeudvikling fortsat vil give muligheder for at målrette mod nye udfordringer inden for partikelfysik.

"På trods af at have arbejdet med den samme kode i alle disse år, der sker stadig nye ting under motorhjelmen, " sagde han. "Der vil altid være nye udfordringer, fordi der altid vil være nye maskiner, nye GPU'er, og nye metoder, som vi vil kunne drage fordel af."

I fremtidige undersøgelser, holdet planlægger at udforske gluoner samt få et fuldt 3-D billede af protonen med dens forskellige komponenter.