Aan het begin van de 20e eeuw, wetenschappers ontdekten dat atomen waren samengesteld uit kleinere deeltjes. Ze ontdekten dat binnen elk atoom, negatief geladen elektronen draaien om een ​​kern die bestaat uit positief geladen protonen en neutrale deeltjes die neutronen worden genoemd. Deze ontdekking leidde tot onderzoek naar atoomkernen en subatomaire deeltjes.

Een goed begrip van de structuren van deze deeltjes levert cruciale inzichten op over de krachten die materie bij elkaar houden en stelt onderzoekers in staat deze kennis toe te passen op andere wetenschappelijke problemen. Hoewel elektronen relatief eenvoudig te bestuderen zijn, protonen en neutronen zijn uitdagender gebleken. Protonen worden gebruikt in medische behandelingen, verstrooiingsexperimenten, en fusie-energie, maar nucleaire wetenschappers hebben tot nu toe geworsteld om hun onderliggende structuur precies te meten.

In een recente krant, een team onder leiding van Constantia Alexandrou van de Universiteit van Cyprus heeft de locatie van een van de subatomaire deeltjes in een proton gemodelleerd, alleen de basistheorie gebruiken van de sterke interacties die materie bij elkaar houden, in plaats van aan te nemen dat deze deeltjes zouden werken zoals ze in experimenten hadden gedaan. De onderzoekers gebruikten de 27-petaflop Cray XK7 Titan supercomputer bij de Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) en een methode genaamd lattice quantum chromodynamics (QCD). Door de combinatie konden ze subatomaire deeltjes op een raster in kaart brengen en interacties met hoge nauwkeurigheid en precisie berekenen.

"In staat zijn om deze berekeningen uit te voeren en de interacties tussen de deeltjes in een proton nauwkeurig te kwantificeren, is essentieel om een ​​beter begrip van het proton en een beter begrip van rooster-QCD als geheel te krijgen, ' zei Alexandrou. 'Bijvoorbeeld, als we uit dit soort berekeningen iets nieuws vinden dat niet in het experiment wordt getoond, misschien moeten we onze theoretische concepten opnieuw evalueren. Dat zou een belangrijke bevinding zijn, natuurlijk."

Alleen een systeem van leiderschapsklasse zoals de Titan van OLCF is in staat om zulke zware QCD-berekeningen in een praktische hoeveelheid tijd uit te voeren, zei de ploeg. De OLCF is een Office of Science User Facility van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) in het Oak Ridge National Laboratory van DOE.

"Titan was perfect voor ons vanwege zijn hybride architectuur, "Zei Alexandrou. "Zonder dit soort mogelijkheden zouden we deze berekening niet hebben kunnen maken."

De prestatie is belangrijk omdat het modelleren van de protonstructuur van rooster QCD belangrijke informatie zal opleveren over hoe materie bij elkaar wordt gehouden op subatomaire schaal. Een dieper begrip van QCD zou onderzoekers ook in staat kunnen stellen de aard van het vroege universum te verkennen of zelfs te wijzen op nieuwe fysica die verder gaat dan het huidige begrip.

Een verdwijnende act

Tijdens een botsing van hoogenergetische deeltjes, een elektron botst op een proton, de fundamentele componenten van het proton opschudden en dan terugkaatsen. Het proton bestaat uit drie elementaire deeltjes - quarks genaamd - evenals de gluondeeltjes die fungeren als dragers van de "sterke kracht" die de quarks stevig aan elkaar bindt als een zak knikkers. De quarks - of "partons, " zoals ze oorspronkelijk in 1969 werden genoemd door natuurkundige Richard Feynman - wissel momentum uit met het elektron op het contactpunt.

Wanneer een quark "uit de zak wordt geslagen, " gebeurt er iets interessants. In plaats van zich aan de waarnemer te openbaren, de quark wordt onmiddellijk gekoppeld aan een antiquark gecreëerd uit het vacuüm van de ruimte, het deeltje kleurloos maken, wat betekent dat het niet kan worden waargenomen. wetenschappers, echter, kan rooster QCD-berekeningen gebruiken om erachter te komen waar het parton kan zijn - en waar het vandaan kan komen.

Lattice QCD zorgt ervoor dat quarks op rasterpunten kunnen worden geplaatst en gluonen op de verbindingen tussen deze punten. Door gebruik te maken van Monte Carlo statistische steekproefmethoden, geavanceerde algoritmen, en grote computers, wetenschappers kunnen het QCD-vacuüm nauwkeurig bemonsteren, de toestand waarin materie de laagste hoeveelheid energie heeft. Supercomputing is essentieel om QCD te roosteren, want hoe groter het raster is en hoe dichter de rasterpunten bij elkaar liggen, hoe nauwkeuriger de simulaties kunnen zijn.

Met behulp van experimentele gegevens, wetenschappers kunnen afleiden waar een parton zou kunnen zijn, maar het vanaf het begin berekenen van de locatie blijkt moeilijker omdat het enorme, krachtige computerbronnen vereist.

Het team, in samenwerking met onderzoekers van Deutsches Elektronen-Synchrotron-Zeuthen en Temple University, gebruikte rooster QCD en een methode ontwikkeld door Xiangdong Ji aan de Universiteit van Maryland en Shanghai Jiao Tong University om de waarschijnlijke locaties voor een parton te identificeren met alleen het onderliggende theoretische raamwerk van de sterke interacties - een mogelijkheid die hen kan helpen nauwkeuriger te begrijpen wat is binnen een proton.

"Het bestuderen van de eigenschappen van protonen is moeilijk omdat je ze niet kunt breken en bestuderen, " Alexandrou zei, verklaren dat de sterke kracht quarks zo stevig bindt in een proton dat wetenschappers de interne interacties moeten bestuderen om nieuwe inzichten te krijgen. "Elk samengesteld systeem in de natuur, tot nu toe, we zouden kunnen breken. Maar we kunnen nooit, ooit het proton breken, dus we moeten de deeltjes erin bestuderen."

Aan kracht winnen met supercomputing

Door de complexiteit van het probleem moesten de onderzoekers een aantal stappen doorlopen om tot een antwoord te komen.

De eerste stap was om het QCD-vacuüm nauwkeurig te simuleren. Met behulp van de SuperMUC-computer in Duitsland, de groep simuleerde de gluonen, quarks, en antiquarks in een vacuüm vol negatieve-energiedeeltjes die bekend staat als de Dirac-zee. Het hele vacuüm gemeten ongeveer 5 kubieke femtometers (1 femtometer is 10-15 meter). Ter vergelijking, een femtometer is 300 miljard keer kleiner dan de breedte van een zoutkorrel.

Volgende, Aurora Scapellato, een Marie Sklodowska-Curie-fellow aan de Universiteit van Cyprus, voerde berekeningen uit op Titan die aantoonden wat er met een proton gebeurt wanneer een elektron er energie aan uitstoot. Het probleem wordt bovendien gecompliceerd door het feit dat het proton een grote hoeveelheid momentum moet hebben terwijl het wordt gemeten.

Het team gebruikte een code genaamd QUDA—of QCD op CUDA, een bibliotheek voor rooster QCD-berekeningen op GPU's - om duizenden metingen uit te voeren over een toewijzing van 2 jaar via het programma Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment. Tien jaar geleden, het aantal berekeningen met eerdere architecturen zou binnen hetzelfde tijdsbestek zijn beperkt tot ongeveer honderd.

"Het is ongelooflijk hoeveel berekeningen we nog kunnen doen met Titan, "Zei Alexandrou. "We hebben nog meer berekeningen nodig voordat we kunnen beginnen met het doen van simulaties die nauwkeuriger zijn dan experimenten. En het uiteindelijke doel is om iets te weten te komen wat we nog niet weten."

Het team heeft simulaties uitgevoerd op grotere roosters en hoopt het project met nog meer vaart naar een hoger niveau te tillen. Een grotere hoeveelheid momentum zorgt voor meer nauwkeurigheid, maar alleen als er voldoende rekenkracht is om goed op fouten te controleren. Door dit soort berekeningen uit te voeren, kunnen wetenschappers een uitgebreid beeld krijgen van de structuur en interacties van het proton.

De methode kan ook worden toegepast op andere deeltjes.

"Eventueel, deze berekeningen zullen nuttig zijn voor het begeleiden van experimentatoren, zei Alexandrou. "Als we gedetailleerde informatie hebben over het proton, we kunnen experimentatoren vertellen wat ze moeten meten, wat niet te meten, waar moet je kijken, en waar je niet moet kijken. En door dit proces, we kunnen zelfs iets heel nieuws ontdekken."