Superračunala pomažu u proučavanju najmanjih čestica u svemiru

Od 1930-ih znanstvenici koriste akceleratore čestica kako bi stekli uvid u strukturu materije i zakone fizike koji upravljaju našim svijetom. Danas su ovi akceleratori neki od najmoćnijih dostupnih eksperimentalnih alata, koji pokreću čestice gotovo do brzine svjetlosti, a zatim ih sudaraju kako bi se omogućilo fizičarima da proučavaju nastale interakcije i čestice koje se formiraju.

Mnogi od najvećih akceleratora čestica imaju za cilj pružiti razumijevanje adrona, koji su subatomske čestice, poput protona ili neutrona, sastavljene od dvije ili više čestica koje se nazivaju kvarkovi. Kvarkovi su među najmanjim česticama u svemiru i nose samo djelomične električne naboje. Znanstvenici imaju dobru ideju o tome kako kvarkovi grade hadrone, ali je bilo teško otkriti svojstva pojedinačnih kvarkova jer se kvarkovi ne mogu promatrati izvan njihovih odgovarajućih hadrona.

Koristeći superračunalo IBM AC922 Summit Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF-a), tim nuklearnih fizičara predvođen Kostasom Orginosom iz Thomas Jefferson National Accelerator Facility i William & Mary razvio je obećavajuću metodu za mjerenje interakcije kvarkova u adronima i primijenio ovu metodu za simulacije korištenjem kvarkova s ​​masama bliskim fizičkim. Kako bi dovršio simulacije, tim je koristio moćnu računsku tehniku ​​zvanu rešetkasta kvantna kromodinamika (LQCD) u kombinaciji s računskom snagom Summita, najbržeg superračunala u zemlji.

"Uobičajeno, znanstvenici znaju samo djelić energije i zamaha kvarkova kada su u protonu", rekao je Joe Karpie, znanstvenik na Sveučilištu Columbia i vodeći autor rada. "To im ne govori o vjerojatnosti da bi se kvark mogao pretvoriti u drugu vrstu kvarka ili čestice. Dok su se prošli izračuni oslanjali na umjetno velike mase kako bi se ubrzali izračuni, sada smo ih mogli simulirati blizu fizičkim masama, a ovo teorijsko znanje možemo primijeniti na eksperimentalne podatke kako bismo napravili bolja predviđanja o subatomskoj materiji."

Razumijevanje svojstava pojedinačnih kvarkova moglo bi pomoći znanstvenicima u predviđanju što će se dogoditi kada kvarkovi stupe u interakciju s Higgsovim bozonom. Higgsov bozon je elementarna čestica koja je povezana s Higgsovim poljem, poljem u teoriji fizike čestica koje daje masu materiji koja je u interakciji s njom. Metoda bi se također mogla koristiti za pomoć znanstvenicima da razumiju fenomene kojima upravlja slaba sila, koja je odgovorna za radioaktivni raspad.

Simulacije u najmanjim razmjerima

Kako bi naslikali točnu sliku o tome kako kvarkovi rade, znanstvenici obično moraju procijeniti svojstva kvarkova unutar njihovih protona. Koristeći rezultate eksperimenata na sudaraču – poput onih iz Relativističkog sudarača teških iona u BNL-u, Velikog hadronskog sudarača u CERN-u ili DOE-ovog nadolazećeg EIC-a – mogu izvući djelić energije i zamaha kvarka.
Ali predviđanje koliko kvarkovi stupaju u interakciju s česticama, kao što je Higgsov bozon, i izračunavanje potpune raspodjele energije i impulsa kvarkova ostali su dugogodišnji izazovi u fizici čestica.

Kako bi započeo rješavanje ovog problema, Bálint Joó, koji se nedavno pridružio Grupi za napredno računanje za nuklearne, čestice i astrofiziku pri OLCF-u, okrenuo se softverskom paketu Chroma za QCD i NVIDIA-inu QUDA biblioteku (za QCD na CUDA). LQCD daje znanstvenicima mogućnost proučavanja kvarkova i gluona - elementarnih čestica nalik ljepilu koje drže kvarkove zajedno - na računalu predstavljajući prostor-vrijeme kao mrežu ili rešetku na kojoj su formulirana polja kvarkova i gluona. Koristeći Chroma i QUDA, Joó je napravio snimke polja jake sile u kocki prostor-vremena, ponderirajući snimke kako bi opisao što su kvarkovi radili u vakuumu. Ostali članovi tima su zatim snimili ove snimke i simulirali što će se dogoditi dok se kvarkovi kreću kroz polje jake sile.

"Ako ubacite kvark u ovo polje, on će se širiti slično kao što ispuštanje električnog naboja u električno polje uzrokuje širenje struje kroz polje", rekao je Joó.

Razlika je u tome što kvarkovi komuniciraju s jakom silom putem naboja jake sile poznatih kao naboji u boji, a ne dva električna (pozitivna i negativna). Na temelju teorije, dopušteno je postojanje samo čestica s kombinacijom koja tvori "nulti" naboj u boji. Tri propagatora kvarka mogu proizvesti proton ili neutron, ovisno o njihovom naboju. Isto tako, dva propagatora kvarka mogu proizvesti mezone, koji su čestice koje se sastoje od jednog kvarka i jednog antikvarka.

Uz dodjelu vremena za računanje iz DOE-ovog Inovativnog i novog programa računalnog utjecaja na teoriju i eksperimente, kao i potporu programa Scientific Discovery kroz Advanced Computing i Exascale Computing Project, tim je uzeo izračune propagatora i kombinirao ih koristeći Summit za generiranje konačnih čestica iz kojih bi potom mogli izvući rezultate. Summit se nalazi u OLCF-u, Uredu za korisnike Ureda za znanost DOE-a koji se nalazi u Nacionalnom laboratoriju Oak Ridgea DOE-a.

"U našim simulacijama postavili smo ono što je poznato kao gole mase kvarka i kvark-gluonska sprega", rekao je Joó. "Stvarne mase kvarkova, koje proizlaze iz ovih golih vrijednosti, moraju se izračunati iz simulacija - na primjer, uspoređivanjem vrijednosti nekih izračunatih čestica s njihovim kolegama u stvarnom svijetu, koji su eksperimentalno poznati."

Oslanjajući se na fizičke eksperimente, tim je znao da bi najlakše fizičke čestice koje su simulirali - nazvane pi mezoni ili pioni - trebale imati masu od oko 140 megaelektron volti (MeV). Izračuni tima kretali su se od 358 MeV do 172 MeV, blizu eksperimentalne mase piona.

Simulacije su zahtijevale snagu Summita zbog broja vakuumskih snimaka koje je tim morao generirati i broja propagatora kvarka koji je trebao biti izračunat na njima. Da bi se procijenili rezultati na fizičkoj masi kvarka, izračuni su bili potrebni za tri različite mase kvarka i ekstrapolirani na fizičku. Ukupno je tim koristio više od 1000 snimaka tri različite mase kvarka u kockama s rešetkama u rasponu od 323 do 643 točke u prostoru.

"Što su mase kvarkova u simulaciji bliže stvarnosti, to je simulacija teža", rekao je Karpie. "Što su kvarkovi lakši, to je potrebno više iteracija u našim rješavačima, tako da je dolazak do fizičke mase kvarkova bio veliki izazov u QCD-u."

Algoritamski napredak donosi nove mogućnosti

Joó, koji koristi Chroma kod na OLCF sustavima od 2007., rekao je da su poboljšanja algoritama tijekom godina pridonijela mogućnosti pokretanja simulacija na fizičkoj masi. "Algoritamska poboljšanja kao što su multimrežni rješavači i njihove implementacije u učinkovitim softverskim knjižnicama, kao što je QUDA, u kombinaciji s hardverom koji ih može izvršiti omogućila su ovakve simulacije", rekao je Joó.

Iako je Chroma njegov osnovni kod, Joó je rekao da će napredak u razvoju koda i dalje pružati mogućnosti za ciljanje novih izazovnih problema u fizici čestica.

"Unatoč tome što sam radio s istim kodom svih ovih godina, nove stvari se još uvijek događaju ispod haube", rekao je Joó. "Uvijek će biti novih izazova jer će uvijek biti novih strojeva, novih GPU-a i novih metoda koje ćemo moći iskoristiti."

U budućim studijama tim planira istražiti gluone i dobiti punu 3D sliku protona s njegovim različitim komponentama.

Izvor: EurekAlert!