Kernfysici staan ​​bekend om hun atoomverpletterende verkenningen van de bouwstenen van zichtbare materie. Bij de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), een deeltjesversneller bij het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), en de Large Hadron Collider (LHC) in het Europese CERN-laboratorium, ze sturen atoomkernen in frontale botsingen om meer te weten te komen over de subtiele interacties van de quarks en gluonen binnenin.

Om volledig te begrijpen wat er gebeurt bij deze ineenstortingen van deeltjes en hoe quarks en gluonen de structuur vormen van alles wat we vandaag in het universum zien, de wetenschappers hebben ook geavanceerde rekentools nodig - software en algoritmen voor het volgen en analyseren van de gegevens en om de complexe berekeningen uit te voeren die modelleren wat ze verwachten te vinden.

Nutsvoorzieningen, met financiering van DOE's Office of Nuclear Physics en het Office of Advanced Scientific Computing Research in het Office of Science, kernfysici en computationele wetenschappers van Brookhaven Lab zullen helpen bij het ontwikkelen van de volgende generatie computationele tools om het veld vooruit te helpen. Hun software en workflowbeheersystemen zullen worden ontworpen om gebruik te maken van de diverse en voortdurend evoluerende architecturen van DOE's Leadership Computing Facilities - enkele van de krachtigste supercomputers en snelste netwerken voor het delen van gegevens ter wereld. Brookhaven Lab zal de komende vijf jaar ongeveer $ 2,5 miljoen ontvangen om deze inspanning te ondersteunen om het kernfysica-onderzoek bij RHIC (een DOE Office of Science User Facility) en de LHC mogelijk te maken.

De Brookhaven "hub" zal een van de drie zijn die worden gefinancierd door DOE's Scientific Discovery through Advanced Computing-programma voor 2017 (ook bekend als SciDAC4) op basis van een voorstel onder leiding van de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van DOE. Het algemene doel van deze projecten is het verbeteren van toekomstige berekeningen van Quantum Chromodynamics (QCD), de theorie die quarks en gluonen en hun interacties beschrijft.

"We kunnen deze berekeningen niet zomaar op een laptop doen, " zei kerntheoreticus Swagato Mukherjee, die het Brookhaven-team zal leiden. "We hebben supercomputers en speciale algoritmen en technieken nodig om de berekeningen binnen een redelijk tijdsbestek toegankelijk te maken."

Wetenschappers voeren QCD-berekeningen uit door de mogelijke posities en interacties van quarks en gluonen weer te geven als punten op een denkbeeldig 4-D ruimte-tijdrooster. Bij dergelijke "raster QCD"-berekeningen zijn miljarden variabelen betrokken. En de complexiteit van de berekeningen groeit naarmate de vragen die wetenschappers proberen te beantwoorden simulaties van quark- en gluon-interacties op kleinere en kleinere schaal vereisen.

Bijvoorbeeld, een voorgesteld verbeterd experiment bij RHIC, bekend als sPHENIX, heeft tot doel de interacties van zwaardere quarks met het quark-gluon-plasma te volgen dat wordt gecreëerd bij botsingen met zware ionen. Deze studies zullen wetenschappers helpen om het gedrag van het vloeistofachtige quark-gluon-plasma op kortere lengteschalen te onderzoeken.

"Als je dingen op kortere afstandsschalen wilt onderzoeken, u moet de afstand tussen de punten op het rooster verkleinen. Maar de totale roostergrootte is hetzelfde, dus er zijn meer punten, dichter op elkaar gepakt, ' zei Mukherjee.

evenzo, bij het onderzoeken van de quark-gluon-interacties in het dichtste deel van het "fasediagram" - een kaart van hoe quarks en gluonen bestaan ​​onder verschillende omstandigheden van temperatuur en druk - zoeken wetenschappers naar subtiele veranderingen die kunnen wijzen op het bestaan ​​van een "kritiek punt , " een plotselinge verschuiving in de manier waarop de nucleaire materie van fase verandert. RHIC-natuurkundigen hebben een plan om botsingen uit te voeren met een reeks energieën - een bundelenergiescan - om dit QCD-kritieke punt te zoeken.

"Om een ​​kritisch punt te vinden, je moet zoeken naar een toename van fluctuaties, wat meer verschillende configuraties van quarks en gluonen vereist. Die complexiteit maakt de berekeningen ordes van grootte moeilijker, ' zei Mukherjee.

Gelukkig, er is een nieuwe generatie supercomputers aan de horizon, biedt verbeteringen in zowel de snelheid als de manier waarop de verwerking wordt gedaan. Maar om die nieuwe mogelijkheden maximaal te benutten, de software en andere rekenhulpmiddelen moeten ook evolueren.

"Ons doel is om de tools en analysemethoden te ontwikkelen om de volgende generatie supercomputers in staat te stellen te helpen bij het sorteren en begrijpen van hot QCD-gegevens, ' zei Mukherjee.

Een belangrijke uitdaging is het ontwikkelen van tools die kunnen worden gebruikt in een reeks nieuwe supercomputing-architecturen, die ook nog in ontwikkeling zijn.

"Niemand heeft op dit moment een idee van hoe ze zullen werken, maar we weten dat ze zeer heterogene architecturen zullen hebben, "Zei Brookhaven-natuurkundige Sergey Panitkin. "Dus we moeten systemen ontwikkelen om op verschillende soorten supercomputers te werken. We willen elk grammetje prestatie uit de nieuwste supercomputers persen, en we willen het op een gecentraliseerde plaats doen, met één invoer en naadloze interactie voor gebruikers, " hij zei.

De inspanning zal voortbouwen op de ervaring die is opgedaan met het ontwikkelen van tools voor workflowbeheer om energierijke fysica-gegevens van het ATLAS-experiment van de LHC te voeden met ongebruikte tijd op DOE-supercomputers. "Dit is een geweldig voorbeeld van synergie tussen hoge-energiefysica en kernfysica om dingen efficiënter te maken, ' zei Panitkin.

Een belangrijk aandachtspunt zal zijn het ontwerpen van tools die "fouttolerant" zijn - in staat om taken automatisch om te leiden of opnieuw in te dienen naar alle beschikbare computerbronnen zonder dat de systeemgebruikers zich zorgen hoeven te maken over het doen van die verzoeken. "Het idee is om natuurkundigen te laten nadenken over natuurkunde, ' zei Panitkin.

Mukherjee, Panitkin, en andere leden van het Brookhaven-team zullen samenwerken met wetenschappers in het Computational Science Initiative van Brookhaven en hun ideeën testen op interne supercomputingbronnen. De lokale machines delen architecturale kenmerken met supercomputers van leiderschapsklasse, zij het op kleinere schaal.

"Onze kleinschalige systemen zijn eigenlijk beter om onze nieuwe tools uit te proberen, " zei Mukherjee. Met vallen en opstaan, ze zullen dan opschalen wat werkt voor de radicaal verschillende supercomputing-architecturen aan de horizon.

De tools die het Brookhaven-team ontwikkelt, zullen uiteindelijk ten goede komen aan nucleaire onderzoeksfaciliteiten in het DOE-complex, en mogelijk ook andere wetenschapsgebieden.