Sinds de jaren dertig, wetenschappers gebruiken deeltjesversnellers om inzicht te krijgen in de structuur van materie en de natuurwetten die onze wereld beheersen. Deze versnellers zijn enkele van de krachtigste beschikbare experimentele tools, deeltjes voortstuwen tot bijna de lichtsnelheid en ze vervolgens laten botsen, zodat natuurkundigen de resulterende interacties en deeltjes die zich vormen kunnen bestuderen.

Veel van de grootste deeltjesversnellers zijn bedoeld om inzicht te krijgen in hadronen - subatomaire deeltjes zoals protonen of neutronen die zijn samengesteld uit twee of meer deeltjes die quarks worden genoemd. Quarks behoren tot de kleinste deeltjes in het heelal, en ze dragen slechts fractionele elektrische ladingen. Wetenschappers hebben een goed idee van hoe quarks hadronen vormen, maar de eigenschappen van individuele quarks zijn moeilijk te achterhalen omdat ze niet kunnen worden waargenomen buiten hun respectievelijke hadronen.

Met behulp van de Summit-supercomputer die is gehuisvest in het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, een team van kernfysici onder leiding van Kostas Orginos van de Thomas Jefferson National Accelerator Facility en William &Mary heeft een veelbelovende methode ontwikkeld voor het meten van quark-interacties in hadronen en heeft deze methode toegepast op simulaties met quarks met bijna fysieke massa's. Om de simulaties te voltooien, het team gebruikte een krachtige computationele techniek genaamd roosterkwantumchromodynamica, of LQCD, in combinatie met de rekenkracht van Summit, de snelste supercomputer van het land. De resultaten zijn gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

"Typisch, Wetenschappers hebben slechts een fractie van de energie en het momentum van quarks gekend als ze zich in een proton bevinden, " zei Joe Karpie, postdoctoraal onderzoeker aan de Columbia University en hoofdauteur van de krant. "Dat vertelt hen niet de kans dat quark in een ander soort quark of deeltje zou kunnen veranderen. Terwijl eerdere berekeningen vertrouwden op kunstmatig grote massa's om de berekeningen te versnellen, we hebben deze nu kunnen simuleren met zeer dicht bij fysieke massa, en we kunnen deze theoretische kennis toepassen op experimentele gegevens om betere voorspellingen te doen over subatomaire materie."

De berekeningen van het team vormen een aanvulling op experimenten die zijn uitgevoerd op de aankomende Electron-Ion Collider van DOE, of EIC, een te bouwen deeltjesversneller in Brookhaven National Laboratory, of BNL, dat zal gedetailleerde ruimtelijke en momentum 3D-kaarten opleveren van hoe subatomaire deeltjes in het proton worden verdeeld.

Als we de eigenschappen van individuele quarks begrijpen, kunnen wetenschappers voorspellen wat er zal gebeuren als quarks een interactie aangaan met het Higgs-deeltje. een elementair deeltje dat geassocieerd is met het Higgs-veld, een veld in de deeltjesfysica-theorie dat massa geeft aan materie die ermee in wisselwerking staat. De methode kan ook worden gebruikt om wetenschappers te helpen fenomenen te begrijpen die worden beheerst door de zwakke kracht, die verantwoordelijk is voor radioactief verval.

Simulaties op de kleinste schaal

Om een ​​nauwkeurig beeld te schetsen van hoe quarks werken, wetenschappers moeten doorgaans het gemiddelde van de eigenschappen van quarks in hun respectievelijke protonen berekenen. Gebruikmakend van resultaten van collider-experimenten zoals die van de Relativistic Heavy Ion Collider bij BNL, de Large Hadron Collider bij CERN of DOE's aanstaande EIC, ze kunnen een fractie van de energie en het momentum van een quark extraheren.

Maar het voorspellen hoeveel quarks interageren met deeltjes zoals het Higgs-deeltje en het berekenen van de volledige verdeling van quark-energieën en momenta zijn al lang bestaande uitdagingen in de deeltjesfysica.

Bálint Joó trad onlangs toe tot de staf van de Oak Ridge Leadership Computing Facility van het lab, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. Om dit probleem aan te pakken, Joó wendde zich tot de Chroma-softwaresuite voor Lattice QCD en NVIDIA's QUDA-bibliotheek. Lattice QCD geeft wetenschappers de mogelijkheid om quarks en gluonen - de elementaire lijmachtige deeltjes die quarks bij elkaar houden - op een computer te bestuderen door ruimte-tijd weer te geven als een raster of een rooster waarop de quark- en gluonvelden zijn geformuleerd. Chroma en QUDA gebruiken (voor QCD op CUDA), Joó maakte snapshots van het sterke-krachtveld in een kubus van ruimte-tijd, het wegen van de snapshots om te beschrijven wat de quarks aan het doen waren in het vacuüm. Andere teamleden maakten vervolgens deze snapshots en simuleerden wat er zou gebeuren als quarks door het sterke-krachtveld zouden bewegen.

"Als je een quark in dit veld laat vallen, het zal zich op dezelfde manier voortplanten als hoe het laten vallen van een elektrische lading in een elektrisch veld ervoor zorgt dat elektriciteit zich door het veld voortplant, ' zei Joo.

Met een subsidie ​​van rekentijd van DOE's Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment-programma, evenals ondersteuning van het Scientific Discovery through Advanced Computing-programma en het Exacale Computing Project, het team nam de propagatorberekeningen en combineerde ze met Summit om uiteindelijke deeltjes te genereren die ze vervolgens konden gebruiken om resultaten uit te extraheren.

"We stellen in onze simulaties wat bekend staat als de kale quarkmassa's en de quark-gluonkoppeling, " zei Joó. "De eigenlijke quarkmassa's, die voortkomen uit deze kale waarden, moeten worden berekend op basis van de simulaties, bijvoorbeeld door de waarden van sommige berekende deeltjes te vergelijken met hun echte tegenhangers, die experimenteel bekend zijn."

Puttend uit fysieke experimenten, het team wist dat de lichtste fysieke deeltjes die ze simuleerden, de pi-mesonen, of pionen - zouden een massa van ongeveer 140 megaelektronvolt moeten hebben, of MeV. De berekeningen van het team varieerden van 358 MeV tot 172 MeV, dicht bij de experimentele massa van pionen.

De simulaties vereisten de kracht van Summit vanwege het aantal vacuüm-snapshots dat het team moest genereren en het aantal quark-propagators dat daarop moest worden berekend. Om een ​​schatting te maken van de resultaten bij de fysieke quarkmassa, berekeningen moesten worden uitgevoerd met drie verschillende massa's quarks en geëxtrapoleerd naar de fysieke. In totaal, het team gebruikte meer dan 1, 000 snapshots over drie verschillende quarkmassa's in kubussen met roosters variërend van 323 tot 643 punten in de ruimte.

"Hoe dichter de massa's van de quarks in de simulatie bij de werkelijkheid liggen, hoe moeilijker de simulatie, " zei Karpie. "Hoe lichter de quarks zijn, hoe meer iteraties nodig zijn in onze solvers, dus het bereiken van de fysieke quark-massa's was een grote uitdaging in QCD."

Algoritmische vooruitgang brengt nieuwe kansen

Joe, die sinds 2007 de Chroma-code op OLCF-systemen gebruikt, zei dat verbeteringen in algoritmen door de jaren heen hebben bijgedragen aan het vermogen om simulaties uit te voeren met de fysieke massa.

"Algoritmische verbeteringen zoals multigrid solvers en hun implementaties in efficiënte softwarebibliotheken zoals QUDA, gecombineerd met hardware die ze kan uitvoeren, hebben dit soort simulaties mogelijk gemaakt, " hij zei.

Hoewel Chroma zijn brood-en-botercode is, Joó zei dat vooruitgang in de ontwikkeling van codes kansen zal blijven bieden om nieuwe uitdagingsproblemen in de deeltjesfysica aan te pakken.

"Ondanks dat ik al die jaren met dezelfde code heb gewerkt, er gebeuren nog steeds nieuwe dingen onder de motorkap, " zei hij. "Er zullen altijd nieuwe uitdagingen zijn omdat er altijd nieuwe machines zullen zijn, nieuwe GPU's, en nieuwe methoden waarvan we kunnen profiteren."

In toekomstige studies, het team is van plan om gluonen te verkennen en een volledig 3D-beeld van het proton met zijn verschillende componenten te verkrijgen.