I början av 1900 -talet forskare upptäckte att atomer var sammansatta av mindre partiklar. De fann att inuti varje atom, negativt laddade elektroner kretsar kring en kärna som består av positivt laddade protoner och neutrala partiklar som kallas neutroner. Denna upptäckt ledde till forskning om atomkärnor och subatomära partiklar.

En förståelse av dessa partiklar strukturer ger avgörande insikter om de krafter som håller ihop materia och gör det möjligt för forskare att tillämpa denna kunskap på andra vetenskapliga problem. Även om elektroner har varit relativt enkla att studera, protoner och neutroner har visat sig vara mer utmanande. Protoner används i medicinska behandlingar, spridningsexperiment, och fusionsenergi, men kärntekniska forskare har kämpat för att exakt mäta sin underliggande struktur - tills nu.

I en ny tidning, ett team under ledning av Constantia Alexandrou vid Cyperns universitet modellerade platsen för en av de subatomära partiklarna inuti en proton, använder endast den grundläggande teorin om de starka interaktioner som håller ihop materia snarare än att anta att dessa partiklar skulle fungera som de hade i experiment. Forskarna använde superdatorn 27-petaflop Cray XK7 Titan vid Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) och en metod som kallas gitter quantum chromodynamics (QCD). Kombinationen gjorde att de kunde kartlägga subatomära partiklar på ett rutnät och beräkna interaktioner med hög noggrannhet och precision.

"Att kunna utföra dessa beräkningar och exakt kvantifiera interaktionerna mellan partiklarna i en proton är avgörande för att få en bättre förståelse av protonen och en bättre förståelse av gallret QCD som helhet, "Sa Alexandrou." Till exempel, om vi hittar något nytt från dessa typer av beräkningar som inte visas i experimentet, vi kan behöva omvärdera våra teoretiska begrepp. Det skulle vara ett betydande fynd, självklart."

Endast ett system av ledarskapsklass som OLCF:s Titan kan utföra så tunga QCD-beräkningar på en praktisk tid, sa laget. OLCF är ett US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility som ligger vid DOE:s Oak Ridge National Laboratory.

"Titan var perfekt för oss på grund av sin hybridarkitektur, "Sa Alexandrou." Vi hade inte lyckats göra denna beräkning utan denna typ av förmåga. "

Prestationen är betydelsefull eftersom modellering av protonstrukturen från gallret QCD kommer att ge viktig information om hur materia hålls ihop i subatomär skala. En djupare förståelse av QCD kan också tillåta forskare att utforska det tidiga universums natur eller till och med peka mot ny fysik bortom nuvarande förståelse.

En försvinnande handling

Under en partikelkollision med hög energi, en elektron slår in i en proton, skaka om protonens grundläggande komponenter och sedan studsa av. Protonen består av tre elementära partiklar - kallade kvarker - liksom gluonpartiklarna som fungerar som bärare av den "starka kraften" som binder kvarkerna tätt ihop som en påse med marmor. Kvarkerna - eller "partoner, "som de ursprungligen kallades 1969 av fysikern Richard Feynman - byt fart med elektronen vid kontaktpunkten.

När en kvark "slås ut ur påsen, "något intressant händer. I stället för att avslöja sig för observatören, kvarken kopplas omedelbart ihop med en antikvark som skapats ur rymdens vakuum, gör partikeln färglös, vilket betyder att den inte kan observeras. Forskare, dock, kan använda gitter -QCD -beräkningar för att ta reda på var partonen kan vara - och varifrån den kan ha kommit.

Gitter QCD tillåter kvarker att placeras på rutpunkter och gluoner placeras på länkarna mellan dessa punkter. Genom att använda Monte Carlo statistiska provtagningsmetoder, avancerade algoritmer, och stora datorer, forskare kan exakt prova QCD -vakuumet, det tillstånd där materia har den lägsta energimängden. Superdatorer är avgörande för att gallra QCD, eftersom ju större nätet är och ju närmare varandra är nätpunkterna, ju mer exakta simuleringarna kan vara.

Med hjälp av experimentella data, forskare kan utläsa var en parton kan vara, men att beräkna sin plats från grunden visar sig svårare eftersom det kräver massiva högpresterande datorresurser.

Laget, i samarbete med forskare vid Deutsches Elektronen-Synchrotron-Zeuthen och Temple University, använde galler QCD och en metod som utvecklats av Xiangdong Ji vid University of Maryland och Shanghai Jiao Tong University för att identifiera de troliga platserna för en parton med endast den underliggande teoretiska ramen för de starka interaktionerna - en förmåga som kan hjälpa dem att förstå mer exakt vad som är inuti en proton.

"Att studera egenskaper hos protoner är svårt eftersom du inte kan bryta dem och studera dem, "Sa Alexandrou, förklarar att den starka kraften binder kvarkar så hårt inom en proton att forskare måste studera interiörens interaktioner för att få ny insikt. "Alla sammansatta system i naturen, ända tills nu, vi kunde bryta. Men vi kan aldrig, någonsin bryta protonen, så vi måste studera partiklarna inuti den. "

Få fart med superdatorer

Problemets komplexitet innebar att forskarna var tvungna att utföra ett antal steg för att nå ett svar.

Det första steget var att exakt simulera QCD -vakuumet. Använda SuperMUC -datorn i Tyskland, gruppen simulerade gluonerna, kvarker, och antikvarter i ett vakuum fullt av negativa energipartiklar som kallas Dirac-havet. Hela vakuumet mätte cirka 5 kubikfemtometrar (1 femtometer är 10-15 meter). För jämförelse, en femtometer är 300 miljarder gånger mindre än bredden på ett saltkorn.

Nästa, Aurora Scapellato, en Marie Sklodowska-Curie-stipendiat vid Cyperns universitet, utförde beräkningar på Titan som visade vad som händer med en proton när en elektron matar ut energi till den. Problemet kompliceras dessutom av det faktum att protonen måste ha en stor mängd fart medan den mäts.

Teamet använde en kod som heter QUDA - eller QCD på CUDA, ett bibliotek för QCD-beräkningar för gitter på GPU:er-för att utföra tusentals mätningar under en 2-årig tilldelning genom programmet Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment. Tio år sedan, antalet beräkningar med tidigare arkitekturer skulle ha begränsats till cirka hundra inom samma tidsram.

"Det är otroligt hur många fler beräkningar vi kan göra med Titan, "Alexandrou sa." Vi behöver ännu fler beräkningar innan vi kan börja göra mer exakta simuleringar än experiment. Och det slutliga målet är att ta reda på något vi ännu inte vet. "

Teamet har kört simuleringar på större galler och hoppas kunna ta projektet till nästa nivå med ännu mer fart. En större mängd momentum ger mer noggrannhet - men bara om det finns tillräckligt med beräkning för att korrekt kontrollera fel. Genom att utföra den här typen av beräkningar kan forskare få en övergripande bild av protonens struktur och interaktioner.

Metoden har också potential att appliceras på andra partiklar.

"Så småningom, dessa beräkningar kommer att vara användbara för att vägleda experimenter, "Sa Alexandrou." Om vi ​​har detaljerad information om protonen, vi kan berätta för experimentister vad de ska mäta, vad man inte ska mäta, vart man ska leta, och vart man inte ska leta. Och genom denna process, vi kan till och med upptäcka något helt nytt. "