Kärnfysiker är kända för sina atomkrossande utforskningar av byggstenarna för synlig materia. Vid Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), en partikelkolliderare vid U.S. Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory, och Large Hadron Collider (LHC) vid Europas CERN -laboratorium, de styr atomkärnor till kollisioner direkt mot varandra för att lära sig om de subtila interaktionerna mellan kvarkerna och gluonerna inuti.

För att helt förstå vad som händer i dessa partikelsmashups och hur kvarker och gluoner bildar strukturen för allt vi ser i universum idag, forskarna behöver också sofistikerade beräkningsverktyg - programvara och algoritmer för att spåra och analysera data och för att utföra de komplexa beräkningar som modellerar vad de förväntar sig att hitta.

Nu, med finansiering från DOE:s Office of Nuclear Physics och Office of Advanced Scientific Computing Research i Office of Science, kärnfysiker och beräkningsvetare vid Brookhaven Lab kommer att hjälpa till att utveckla nästa generations beräkningsverktyg för att driva fältet framåt. Deras programvara och arbetsflödeshanteringssystem kommer att utformas för att utnyttja de olika och ständigt utvecklande arkitekturerna i DOE:s Leadership Computing Facilities-några av de mest kraftfulla superdatorer och snabbaste datadelningsnätverk i världen. Brookhaven Lab kommer att få cirka 2,5 miljoner dollar under de närmaste fem åren för att stödja detta arbete för att möjliggöra kärnfysikforskningen vid RHIC (en DOE Office of Science User Facility) och LHC.

Brookhaven "hubb" kommer att vara en av tre som finansieras av DOE:s Scientific Discovery via Advanced Computing -program för 2017 (även känt som SciDAC4) under ett förslag som leds av DOE:s Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Det övergripande syftet med dessa projekt är att förbättra framtida beräkningar av Quantum Chromodynamik (QCD), teorin som beskriver kvarker och gluoner och deras interaktioner.

"Vi kan inte bara göra dessa beräkningar på en bärbar dator, "sade kärnteoretikern Swagato Mukherjee, som kommer att leda Brookhaven -laget. "Vi behöver superdatorer och speciella algoritmer och tekniker för att göra beräkningarna tillgängliga inom en rimlig tidsram."

Forskare utför QCD-beräkningar genom att representera möjliga positioner och interaktioner mellan kvarker och gluoner som punkter på ett inbillat 4-D rymd-tidsgitter. Sådana "gitter -QCD" -beräkningar involverar miljarder variabler. Och komplexiteten i beräkningarna växer i takt med att frågorna som forskare försöker svara på kräver simuleringar av kvark- och gluoninteraktioner i mindre och mindre skalor.

Till exempel, ett föreslaget uppgraderat experiment på RHIC, känt som sPHENIX, syftar till att spåra interaktionen mellan mer massiva kvarker med kvark-gluonplasma som skapas vid kraftiga jonkollisioner. Dessa studier kommer att hjälpa forskare att undersöka beteendet hos vätskeliknande kvark-gluonplasma vid kortare längder.

"Om du vill undersöka saker på kortare avstånd, du måste minska avståndet mellan punkterna på gallret. Men den totala gitterstorleken är densamma, så det finns fler poäng, närmare packad, " sa Mukherjee.

Liknande, när man utforskar kvark-gluon-interaktionerna i den tätaste delen av "fasdiagrammet"-en karta över hur kvarker och gluoner existerar under olika temperatur- och tryckförhållanden-letar forskare efter subtila förändringar som kan indikera förekomsten av en "kritisk punkt , "en plötslig förändring av hur kärnämnet förändrar faser. RHIC -fysiker har en plan för att genomföra kollisioner vid en rad olika energier - en strålenergisökning - för att söka efter denna QCD -kritiska punkt.

"För att hitta en kritisk punkt, du måste söka efter ökade fluktuationer, vilket kräver fler olika konfigurationer av kvarkar och gluoner. Denna komplexitet gör beräkningarna av storleksordningen svårare, "Sa Mukherjee.

Lyckligtvis, det finns en ny generation superdatorer i horisonten, erbjuder förbättringar i både hastighet och hur bearbetning sker. Men för att utnyttja dessa nya funktioner maximalt, mjukvaran och andra beräkningsverktyg måste också utvecklas.

"Vårt mål är att utveckla verktygen och analysmetoderna för att göra det möjligt för nästa generation av superdatorer att hjälpa till att sortera igenom och förstå heta QCD-data, "Sa Mukherjee.

En viktig utmaning kommer att vara att utveckla verktyg som kan användas i en rad nya superdatorarkitekturer, som också fortfarande är under utveckling.

"Ingen har just nu en aning om hur de kommer att fungera, men vi vet att de kommer att ha mycket heterogena arkitekturer, "sa Brookhaven -fysikern Sergey Panitkin." Så vi måste utveckla system för att arbeta med olika sorters superdatorer. Vi vill pressa ut varje uns prestanda ur de nyaste superdatorerna, och vi vill göra det på en centraliserad plats, med en ingång och sömlös interaktion för användarna, " han sa.

Ansträngningen kommer att bygga på erfarenhet från att utveckla arbetsflödeshanteringsverktyg för att mata fysikdata med hög energi från LHC:s ATLAS-experiment i fickor av oanvänd tid på DOE-superdatorer. "Detta är ett bra exempel på synergi mellan högenergifysik och kärnfysik för att göra saker mer effektiva, sa Panitkin.

Ett stort fokus kommer att vara att designa verktyg som är "fultoleranta" - som automatiskt kan omdirigera eller skicka jobb till alla datorer som finns tillgängliga utan att systemanvändarna behöver oroa sig för att göra dessa förfrågningar. "Tanken är att frigöra fysiker att tänka på fysik, Sa Panitkin.

Mukherjee, Panitkin, och andra medlemmar i Brookhaven-teamet kommer att samarbeta med forskare i Brookhaven's Computational Science Initiative och testa deras idéer om interna superdatorresurser. De lokala maskinerna delar arkitektoniska egenskaper med superdatorer i ledarskapsklassen, om än i mindre skala.

"Våra småskaliga system är faktiskt bättre för att testa våra nya verktyg, "Mukherjee sa. Med försök och fel, de kommer sedan att skala upp vad som fungerar för de radikalt olika superdatorarkitekturerna i horisonten.

Verktygen som Brookhaven -teamet utvecklar kommer i slutändan att gynna kärnkraftsforskningsanläggningar i hela DOE -komplexet, och potentiellt även andra vetenskapsområden.