Sedan 1930-talet, forskare har använt partikelacceleratorer för att få insikter i materiens struktur och fysikens lagar som styr vår värld. Dessa acceleratorer är några av de mest kraftfulla experimentella verktygen som finns, driva partiklar till nästan ljusets hastighet och sedan kollidera dem för att tillåta fysiker att studera de resulterande interaktionerna och partiklarna som bildas.

Många av de största partikelacceleratorerna syftar till att ge en förståelse för hadroner - subatomära partiklar som protoner eller neutroner som består av två eller flera partiklar som kallas kvarkar. Kvarkar är bland de minsta partiklarna i universum, och de bär bara fraktionerade elektriska laddningar. Forskare har en bra uppfattning om hur kvarkar utgör hadroner, men egenskaperna hos enskilda kvarkar har varit svåra att reta ut eftersom de inte kan observeras utanför deras respektive hadroner.

Med hjälp av Summit-superdatorn som finns vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, ett team av kärnfysiker ledda av Kostas Orginos vid Thomas Jefferson National Accelerator Facility och William &Mary har utvecklat en lovande metod för att mäta kvarkinteraktioner i hadroner och har tillämpat denna metod på simuleringar med kvarkar med nära fysiska massor. För att slutföra simuleringarna, laget använde en kraftfull beräkningsteknik som kallas gitterkvantkromodynamik, eller LCDCD, tillsammans med Summit:s datorkraft landets snabbaste superdator. Resultaten publicerades i Fysiska granskningsbrev .

"Vanligtvis, forskare har bara känt till en bråkdel av energin och momentumet hos kvarkar när de är i en proton, sa Joe Karpie, postdoktor vid Columbia University och ledande författare på tidningen. "Det säger dem inte sannolikheten att kvarg kan förvandlas till en annan typ av kvark eller partikel. Medan tidigare beräkningar förlitade sig på artificiellt stora massor för att påskynda beräkningarna, vi har nu kunnat simulera dessa mycket nära fysisk massa, och vi kan tillämpa denna teoretiska kunskap på experimentella data för att göra bättre förutsägelser om subatomär materia."

Teamets beräkningar kommer att komplettera experiment som utförts på DOE:s kommande Electron-Ion Collider, eller EIC, en partikelkolliderare som ska byggas vid Brookhaven National Laboratory, eller BNL, som kommer att ge detaljerade rumsliga och momentum 3D-kartor över hur subatomära partiklar är fördelade inuti protonen.

Att förstå egenskaperna hos individuella kvarkar kan hjälpa forskare att förutsäga vad som kommer att hända när kvarkar interagerar med Higgs-bosonen, en elementarpartikel som är associerad med Higgsfältet, ett fält inom partikelfysikteorin som ger massa till materia som interagerar med den. Metoden kan också användas för att hjälpa forskare att förstå fenomen som styrs av den svaga kraften, som är ansvarig för radioaktivt sönderfall.

Simuleringar i minsta skala

För att måla en korrekt bild av hur kvarkar fungerar, Forskare måste vanligtvis genomsnittliga egenskaperna hos kvarkar inuti sina respektive protoner. Med hjälp av resultat från kolliderarexperiment som de vid Relativistic Heavy Ion Collider vid BNL, Large Hadron Collider vid CERN eller DOE:s kommande EIC, de kan extrahera en bråkdel av en kvarks energi och momentum.

Men att förutsäga hur mycket kvarkar interagerar med partiklar som Higgs Boson och beräkna den fullständiga fördelningen av kvarkenergier och momenta har förblivit långvariga utmaningar inom partikelfysik.

Bálint Joó anslöt sig nyligen till personalen på labbets Oak Ridge Leadership Computing Facility, en DOE Office of Science-användaranläggning. För att börja ta itu med detta problem, Joó vände sig till Chroma-programsviten för lattice QCD och NVIDIAs QUDA-bibliotek. Lattice QCD ger forskare möjligheten att studera kvarkar och gluoner - de elementära limliknande partiklarna som håller kvarkar ihop - på en dator genom att representera rum-tid som ett rutnät eller ett gitter på vilket kvark- och gluonfälten är formulerade. Använder Chroma och QUDA (för QCD på CUDA), Joó genererade ögonblicksbilder av starkkraftsfältet i en kub av rum-tid, viktning av ögonblicksbilderna för att beskriva vad kvarkerna gjorde i vakuumet. Andra teammedlemmar tog sedan dessa ögonblicksbilder och simulerade vad som skulle hända när kvarkar rörde sig genom det starka kraftfältet.

"Om du släpper en kvarg i det här fältet, det kommer att fortplanta sig på samma sätt som att släppa en elektrisk laddning i ett elektriskt fält får elektricitet att fortplanta sig genom fältet, " sa Joó.

Med ett beviljande av beräkningstid från DOE:s Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment-program, samt stöd från Scientific Discovery genom Advanced Computing-programmet och Exacale Computing Project, teamet tog propagatorberäkningarna och kombinerade dem med Summit för att generera slutliga partiklar som de sedan kunde använda för att extrahera resultat från.

"Vi ställer in vad som kallas bar kvarkmassa och kvark-gluonkopplingen i våra simuleringar, " Sa Joó. "De faktiska kvarkmassorna, som härrör från dessa blotta värderingar, måste beräknas från simuleringarna – till exempel, genom att jämföra värdena för vissa beräknade partiklar med deras verkliga motsvarigheter, som är experimentellt kända."

Rita från fysiska experiment, teamet visste att de lättaste fysiska partiklarna de simulerade – kallade pi-mesonerna, eller pioner - bör ha en massa på cirka 140 megaelektron volt, eller MeV. Teamets beräkningar sträckte sig från 358 MeV ner till 172 MeV, nära den experimentella massan av pioner.

Simuleringarna krävde kraften hos Summit på grund av antalet vakuumögonblicksbilder som laget behövde generera och antalet kvarkförökare som behövde beräknas på dem. För att göra en uppskattning av resultaten vid den fysiska kvarkmassan, beräkningar behövde utföras vid tre olika massor av kvarkar och extrapoleras till den fysiska. Totalt, laget använde mer än 1, 000 ögonblicksbilder över tre olika kvarkmassor i kuber med galler mellan 323 och 643 punkter i rymden.

"Ju närmare massorna av kvarkarna i simuleringen är verkligheten, desto svårare är simuleringen, " sa Karpie. "Ju lättare kvarkarna är, ju fler iterationer krävs i våra lösare, så att komma till de fysiska kvargmassorna har varit en stor utmaning i QCD."

Algoritmiska framsteg ger nya möjligheter

Joó, som har använt Chroma -koden på OLCF -system sedan 2007, sa att förbättringar av algoritmer genom åren har bidragit till möjligheten att köra simuleringar vid den fysiska massan.

"Algoritmiska förbättringar som multigrid-lösare och deras implementeringar i effektiva mjukvarubibliotek som QUDA, i kombination med hårdvara som kan köra dem, har gjort den här typen av simuleringar möjliga, " han sa.

Även om Chroma är hans bröd-och-smör-kod, Joó sa att framsteg inom kodutveckling kommer att fortsätta att ge möjligheter att inrikta sig på nya utmaningsproblem inom partikelfysik.

"Trots att jag har arbetat med samma kod alla dessa år, nya saker händer fortfarande under huven, " sa han. "Det kommer alltid att finnas nya utmaningar för det kommer alltid att finnas nya maskiner, nya GPU:er, och nya metoder som vi kommer att kunna dra nytta av."

I framtida studier, teamet planerar att utforska gluoner samt få en fullständig 3D-bild av protonen med dess olika komponenter.