Fysiker runt om i världen öppnar protonen, inom atomkärnan, för att se vad som finns inuti.

Protonen är en grundläggande byggsten i atomkärnan, och bland annat används det som en medicinsk sond vid magnetisk resonansavbildning. Den har också en rik inre struktur som består av subatomära partiklar som kallas kvarker och gluoner, som binder kvarkerna samman.

Forskare kör ett unikt experiment med världens största partikelfysiklaboratorium och världens snabbaste universitetsdator för att se och förstå den dynamiska världen inuti protonen.

Cirka 240 fysiker i 12 länder och 24 institutioner samarbetar om COMPASS -experimentet - kort för Common Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy - på CERN, Europeiska organisationen för kärnforskning. De utforskar protonstrukturen där genom att bryta sönder den i partikelkollisioner med hjälp av partikelstrålar från CERN North Area's Super Proton Synchrotron och ett spin-polariserat fast mål.

Protons krossade insidor är osynliga för blotta ögat och kräver stora detektorer, som registrerar och digitaliserar information om partikeln och lagrar den i ett speciellt dataformat. För att tolka uppgifterna, fysiker bearbetar det med komplexa algoritmer.

"Det rumsliga mönstret och hastigheterna på de fragmenterade partiklarna gör att vi kan skapa en dynamisk bild av protonen och andra objekt som består av kvarker, "sa Caroline Riedl, forskarassistent i kärnfysik vid University of Illinois i Urbana-Champaign (UIUC). Med hennes UIUC -grupp, Riedl är involverad i COMPASS polariserade Drell-Yan-programmet och var COMPASS tekniska samordnare för 2018-körningen.

Hennes team använde tidigare Super Waters Blue Waters vid National Center for Supercomputing Applications för att bearbeta de många petabyte av COMPASS -data. Hon utökar sin forskning om Frontera -systemet vid Texas Advanced Computing Center (TACC), den femte mest kraftfulla och den snabbaste universitets superdator i världen.

Frontera kommer att öka analysen av befintliga COMPASS -data som tagits mellan 2015 och 2018. Analysera COMPASS -data som samlats in mellan 2015 och 2018, hennes team tillsammans med de samarbetande COMPASS-kollegorna kunde för första gången bekräfta den teoretiskt förväntade teckenförändringen av Sivers-funktionen i Drell-Yan-spridning jämfört med Deep-Inelastic Scattering.

Denna så kallade Sivers TMD ("Transverse-Momentum Dependent") fördelning härrör från korrelationer mellan protonspinn och kvark transversal momentum och verkar därmed ansluten till kvarkorbitalrörelse inuti protonen. Observation av teckenförändringen på Sivers TMD är en av få NSAC (Nuclear Science Advisory Committee) milstolpar för DOE- och NSF-finansierad forskning inom kärnfysik.

Kompass -experimentet skjuter en stråle av pioner (partiklar gjorda av kvarkar) på ett fast mål. Efterdyningarna är uppskrivna av 240 spårningsplan som följer vägen för de subatomära partiklarna som släpps ut. Här blir beräkningsutmaningarna tunga.

"Proceduren för att hitta partikelspår som kommer från interaktionspunkten och att korsa hundratals COMPASS-detektorlager är CPU-intensiv, "Sade Riedl. Spårningsförfarandet är ett av de första stegen i dataanalysen. En ytterligare mycket CPU-dyr uppgift är provtagning av cirka två procent av data för att bestämma effektivitet för detektorplanen, enligt Riedl.

Att tillhandahålla uppgifterna i tid för fysikanalys utgör ett hinder.

"Utmaningen består i att parallellisera inlämnandet av spårningskoden på datanätet samtidigt som systemet respekteras när det gäller I/O och antalet begärda datanoder. En typisk produktionskampanj kräver cirka 50, 000, helst parallellt, inlämning av spårningskoden, "Sa Riedl.

Allt som allt, cirka tre petabyte med COMPASS -data har flyttats från Blue Waters till TACC:s Ranch -lagringshanteringssystem, vilket gör det möjligt att analysera det på Frontera.

Förutom att analysera tidigare COMPASS -data, hennes team använder Frontera för att designa nya detektorer för det framtida COMPASS ++ /AMBER -experimentet. Denna nya anläggning vid M2 -strållinjen i CERN Super Proton Synchrotron kommer att möjliggöra en mängd olika mätningar för att ta itu med grundläggande frågor om kvantkromodynamik.

Det föreslagna programmet täcker mätningar av protonladdningsradien med hjälp av strålar av muoner, elementära partiklar som liknar elektronen men med mycket större massa; spektroskopi av mesoner och baryoner med hjälp av dedikerade mesonstrålar; studiet av meson- och baryonstruktur via Drell-Yan-processen; och så småningom den grundläggande jakten på uppkomsten av hadronisk massa.

Riedl drivs av grundläggande frågor i hjärtat av protonen. Hur rör sig kvarkerna inuti protonen, och vad är deras orbitalrörelse? Hur fördelas kvarkar i protonen? Och hur genererar kvarker och gluoner de stora observerade kärnmassorna?

Den senare frågan kommer att komma åt av det framtida COMPASS ++/AMBER -experimentet på CERN, enligt Riedl.

"Vi kör massproduktioner av COMPASS -data om Frontera, bestämma detektoreffektivitet, och simulera COMPASS och COMPASS ++/AMBER data. De simulerade data spelar en central roll för att förstå subtila detektoreffekter och kompletterar experimentella data, "Sade Riedl." Frontera kommer att tillåta oss att analysera COMPASS -data i tid och med den precision som krävs för att få en absolut normalisering av data med minsta möjliga osäkerhet. "

Riedl hoppas att förbättrad analys av Frontera gör det möjligt för forskare att nå upptäckter inne i protonen snabbare än någonsin.

"Endast Frontera tillåter detaljerade simuleringar som är nödvändiga för att optimera instrumentuppgraderingar för det framtida COMPASS ++/AMBER -experimentet, "tillade hon." Frontera är ett ledande superdatorsystem som finansieras av National Science Foundation som gör att amerikanska forskare kan konkurrera med internationella forskargrupper. "

Riedls forskning passar in i den större bilden av att förstå kärnfysik och kvantkromodynamik, fältteorin om den starka kärnkraften. Hon undersöker frågor som hur kvarker och gluoner bildar materiens kärnor, och hur protoner kan beskrivas i termer av Partons distributionsfunktioner, "partoner" som mer allmänt hänvisar till kvarker och gluoner.

"Det speciella med våra experiment ligger i användningen av spinnpolariserade partikelstrålar på spinnpolariserade fasta mål, "Riedl sa." Genom att införa tvärgående kvarkmoment, snurra, och orbital vinkelmoment in i formalismen, protonunderstrukturen blir lika rik som understrukturen för väteatomen, som först beskrevs på 1930 -talet, "tillade hon." Under de första decennierna av 2000 -talet, proton hyperfin struktur har flyttat in i fokus för spinnfysiker. "

Obeveklig nyfikenhet driver hennes arbete.

"Människor är och har alltid varit nyfikna på att ta reda på vad som håller världen samman i dess kärna, "Riedl sa." Vi försöker reda ut ursprunget för objektsmassan i vårt dagliga liv och kartlägga protonens dynamiska kvarkstruktur. "