Natuurkundigen over de hele wereld kraken het proton open, in de kern van het atoom, om te zien wat erin zit.

Het proton is een fundamentele bouwsteen van de atoomkern, en wordt onder andere gebruikt als medische sonde bij magnetische resonantiebeeldvorming. Het heeft ook een rijke innerlijke structuur die bestaat uit subatomaire deeltjes die quarks en gluonen worden genoemd, die de quarks aan elkaar binden.

Wetenschappers voeren een uniek experiment uit met 's werelds grootste laboratorium voor deeltjesfysica en 's werelds snelste universitaire supercomputer om de dynamische wereld in het proton te zien en te begrijpen.

Ongeveer 240 natuurkundigen in 12 landen en 24 instellingen werken samen aan het COMPASS-experiment - een afkorting van Common Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectrscopy - bij CERN, de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek. Ze onderzoeken de protonstructuur daar door deze uit elkaar te halen in deeltjesbotsingen met behulp van deeltjesbundels van de Super Proton Synchrotron van CERN North Area en een spin-gepolariseerd vast doelwit.

De ingeslagen binnenkant van het proton is onzichtbaar voor het blote oog en vereist grote detectoren, die informatie over het deeltje registreren en digitaliseren en opslaan in een speciaal gegevensformaat. Om de gegevens te interpreteren, natuurkundigen verwerken het met behulp van complexe algoritmen.

"Het ruimtelijke patroon en de snelheden van de fragmenterende deeltjes stellen ons in staat een dynamisch beeld te creëren van het proton en andere objecten die zijn samengesteld uit quarks, " zei Caroline Riedl, een onderzoeksassistent-professor kernfysica aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign (UIUC). Met haar UIUC-groep, Riedl is betrokken bij het COMPASS-gepolariseerde Drell-Yan-programma en was de technische coördinator van COMPASS voor de 2018-run.

Haar team gebruikte eerder de Blue Waters-supercomputer van het National Center for Supercomputing Applications om de vele petabytes aan COMPASS-gegevens te verwerken. Ze breidt haar onderzoek uit naar het Frontera-systeem in het Texas Advanced Computing Center (TACC), de vijfde krachtigste en snelste universitaire supercomputer ter wereld.

Frontera zal de analyse van de bestaande COMPASS-gegevens die tussen 2015 en 2018 zijn genomen, versterken. Analyse van de COMPASS-gegevens die tussen 2015 en 2018 zijn verzameld, haar team kon samen met de samenwerkende COMPASS-collega's voor het eerst de theoretisch verwachte tekenverandering van de Sivers-functie in Drell-Yan-verstrooiing bevestigen in vergelijking met diep-inelastische verstrooiing.

Deze zogenaamde Sivers TMD ("Transverse-Momentum Dependent") verdeling komt voort uit correlaties tussen protonspin en quark transversaal momentum en lijkt dus verbonden te zijn met quark orbitale beweging binnen het proton. Observatie van de tekenverandering van de Sivers TMD is een van de weinige prestatiemijlpalen van de NSAC (Nuclear Science Advisory Committee) voor door DOE en NSF gefinancierd onderzoek in kernfysica.

Het COMPASS-experiment schiet een bundel pionen (deeltjes gemaakt van quarks) op een vast doelwit. De nasleep wordt opgetekend door 240 volgvliegtuigen die het pad volgen van de vrijgekomen subatomaire deeltjes. Hier worden de rekenkundige uitdagingen zwaar.

"De procedure om deeltjessporen te vinden die uit het interactiepunt komen en honderden COMPASS-detectorlagen doorkruisen, is CPU-intensief, " zei Riedl. De volgprocedure is een van de eerste stappen in de gegevensanalyse. Een extra, zeer CPU-dure taak is het nemen van monsters van ongeveer twee procent van de gegevens om de efficiëntie van de detectorvlakken te bepalen, volgens Riedl.

Het tijdig verstrekken van de gegevens voor natuurkundige analyse vormt een hindernis.

"De uitdaging bestaat erin om de inzendingen van de trackingcode op het computerraster parallel te laten lopen met respect voor het systeem in termen van I/O en het aantal aangevraagde computerknooppunten. Een typische productiecampagne vereist ongeveer 50, 000, idealiter parallel, indiening van de trackingcode, ' zei Riedl.

Globaal genomen, ongeveer drie petabytes aan COMPASS-gegevens zijn verplaatst van Blue Waters naar het Ranch-opslagbeheersysteem van TACC, waardoor het op Frontera kan worden geanalyseerd.

Naast het analyseren van eerdere COMPASS-gegevens, haar team gebruikt Frontera om nieuwe detectoren te ontwerpen voor het toekomstige COMPASS++/AMBER-experiment. Deze nieuwe faciliteit op de M2-bundellijn van de CERN Super Proton Synchrotron zal een grote verscheidenheid aan metingen mogelijk maken om fundamentele problemen van de kwantumchromodynamica aan te pakken.

Het voorgestelde programma omvat metingen van de protonladingsstraal met behulp van bundels van muonen, elementaire deeltjes vergelijkbaar met het elektron maar met een veel grotere massa; de spectroscopie van mesonen en baryonen met behulp van speciale mesonenbundels; de studie van meson- en baryonstructuur via het Drell-Yan-proces; en uiteindelijk de fundamentele zoektocht naar de opkomst van hadronische massa.

Riedl wordt gedreven door fundamentele vragen in het hart van het proton. Hoe bewegen de quarks in het proton, en wat is hun baanbeweging? Hoe zijn quarks verdeeld in het proton? En hoe genereren quarks en gluonen de grote waargenomen kernmassa's?

De laatste vraag zal worden beantwoord door het toekomstige COMPASS++/AMBER-experiment op CERN, volgens Riedl.

"We draaien massaproducties van COMPASS-gegevens op Frontera, de efficiëntie van de detector bepalen, en simuleer COMPASS- en COMPASS++/AMBER-gegevens. De gesimuleerde gegevens spelen een centrale rol bij het begrijpen van subtiele detectoreffecten en vullen de experimentele gegevens aan, " zei Riedl. "Frontera stelt ons in staat om de COMPASS-gegevens tijdig en met de precisie te analyseren die nodig is om een ​​absolute normalisatie van de gegevens te verkrijgen met de kleinst mogelijke onzekerheden."

Riedl hoopt dat een verbeterde analyse van Frontera onderzoekers in staat zal stellen sneller dan ooit tot ontdekkingen in het proton te komen.

"Alleen Frontera zal de gedetailleerde simulaties mogelijk maken die nodig zijn om instrumentatie-upgrades te optimaliseren voor het toekomstige COMPASS++/AMBER-experiment, " voegde ze eraan toe. "Frontera is een toonaangevend supercomputersysteem dat wordt gefinancierd door de National Science Foundation en waarmee Amerikaanse onderzoekers kunnen concurreren met internationale onderzoeksteams."

Riedl's onderzoek past in het grotere plaatje van het begrijpen van kernfysica en kwantumchromodynamica, de veldentheorie van de sterke kernkracht. Ze onderzoekt vragen als hoe quarks en gluonen de kernen van materie vormen, en hoe protonen kunnen worden beschreven in termen van Partonverdelingsfuncties, "partons" verwijzen meer in het algemeen naar quarks en gluonen.

"Het speciale kenmerk van onze experimenten ligt in het gebruik van spin-gepolariseerde deeltjesbundels op spin-gepolariseerde vaste doelen, " zei Riedl. "Door transversale quark-momenta te introduceren, draaien, en orbitale hoekmomenten in het formalisme, protonsubstructuur wordt even rijk als de substructuur van het waterstofatoom, die voor het eerst werd beschreven in de jaren '30, " voegde ze eraan toe. "Tijdens de eerste decennia van de 21e eeuw, proton hyperfine structuur is verplaatst naar de focus van spin-fysici."

Een niet aflatende nieuwsgierigheid drijft haar werk.

"Mensen zijn en zijn altijd nieuwsgierig geweest om erachter te komen wat de wereld in de kern bij elkaar houdt, " zei Riedl. "We proberen de oorsprong van de massa van objecten in ons dagelijks leven te ontrafelen en de dynamische quarkstructuur van het proton in kaart te brengen."