p Os físicos nucleares são conhecidos por suas explorações dos blocos de construção da matéria visível. No Colisor Relativístico de Íons Pesados ​​(RHIC), um colisor de partículas no Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE), e o Large Hadron Collider (LHC) no laboratório CERN da Europa, eles conduzem os núcleos atômicos a colisões frontais para aprender sobre as interações sutis dos quarks e glúons internos. p Para entender completamente o que acontece nesses esmagamentos de partículas e como quarks e glúons formam a estrutura de tudo que vemos no universo hoje, os cientistas também precisam de ferramentas computacionais sofisticadas - software e algoritmos para rastrear e analisar os dados e realizar cálculos complexos que modelam o que esperam encontrar.

p Agora, com financiamento do DOE's Office of Nuclear Physics e do Office of Advanced Scientific Computing Research no Office of Science, Físicos nucleares e cientistas computacionais do Brookhaven Lab ajudarão a desenvolver a próxima geração de ferramentas computacionais para impulsionar o campo. Seu software e sistemas de gerenciamento de fluxo de trabalho serão projetados para explorar as arquiteturas diversificadas e em constante evolução das instalações de computação de liderança do DOE - alguns dos supercomputadores mais poderosos e redes de compartilhamento de dados mais rápidas do mundo. O Brookhaven Lab receberá aproximadamente US $ 2,5 milhões nos próximos cinco anos para apoiar esse esforço de permitir a pesquisa em física nuclear no RHIC (um DOE Office of Science User Facility) e no LHC.

p O "hub" de Brookhaven será um dos três financiados pelo programa de Descoberta Científica por meio de Computação Avançada do DOE para 2017 (também conhecido como SciDAC4) sob uma proposta liderada pelo Thomas Jefferson National Accelerator Facility do DOE. O objetivo geral desses projetos é melhorar os cálculos futuros da Cromodinâmica Quântica (QCD), a teoria que descreve quarks e glúons e suas interações.

p "Não podemos simplesmente fazer esses cálculos em um laptop, "disse o teórico nuclear Swagato Mukherjee, que vai liderar a equipe Brookhaven. "Precisamos de supercomputadores e algoritmos e técnicas especiais para tornar os cálculos acessíveis em um período de tempo razoável."

p Os cientistas realizam cálculos QCD representando as possíveis posições e interações de quarks e glúons como pontos em uma rede imaginária de espaço-tempo 4-D. Esses cálculos de "lattice QCD" envolvem bilhões de variáveis. E a complexidade dos cálculos cresce à medida que as questões que os cientistas procuram responder exigem simulações de interações de quarks e glúons em escalas cada vez menores.

p Por exemplo, um experimento atualizado proposto no RHIC conhecido como sPHENIX visa rastrear as interações de quarks mais massivos com o plasma quark-gluon criado em colisões de íons pesados. Esses estudos ajudarão os cientistas a sondar o comportamento do plasma quark-gluon líquido em escalas de comprimento mais curtas.

p "Se você quiser sondar coisas em escalas de distância mais curtas, você precisa reduzir o espaçamento entre os pontos na rede. Mas o tamanho geral da rede é o mesmo, então há mais pontos, embalado mais de perto, "Mukherjee disse.

p De forma similar, ao explorar as interações quark-gluon na parte mais densa do "diagrama de fase" - um mapa de como os quarks e gluons existem sob diferentes condições de temperatura e pressão - os cientistas procuram mudanças sutis que possam indicar a existência de um "ponto crítico , "uma mudança repentina na forma como a matéria nuclear muda de fase. Os físicos do RHIC têm um plano para conduzir colisões em uma gama de energias - uma varredura de energia do feixe - para procurar este ponto crítico QCD.

p "Para encontrar um ponto crítico, você precisa sondar um aumento nas flutuações, o que requer configurações mais diferentes de quarks e glúons. Essa complexidade torna os cálculos ordens de magnitude mais difíceis, "Mukherjee disse.

p Felizmente, há uma nova geração de supercomputadores no horizonte, oferecendo melhorias na velocidade e na forma como o processamento é feito. Mas, para fazer uso máximo desses novos recursos, o software e outras ferramentas computacionais também devem evoluir.

p "Nosso objetivo é desenvolver as ferramentas e métodos de análise para permitir que a próxima geração de supercomputadores ajude a classificar e dar sentido aos dados QCD quentes, "Mukherjee disse.

p Um grande desafio será desenvolver ferramentas que possam ser usadas em uma variedade de novas arquiteturas de supercomputação, que também ainda estão em desenvolvimento.

p "Ninguém agora tem ideia de como eles irão operar, mas sabemos que eles terão arquiteturas muito heterogêneas, "disse o físico de Brookhaven Sergey Panitkin." Portanto, precisamos desenvolver sistemas para trabalhar em diferentes tipos de supercomputadores. Queremos extrair cada grama de desempenho dos mais novos supercomputadores, e queremos fazer isso em um local centralizado, com uma entrada e interação perfeita para os usuários, " ele disse.

p O esforço terá como base a experiência adquirida no desenvolvimento de ferramentas de gerenciamento de fluxo de trabalho para alimentar dados de física de alta energia do experimento ATLAS do LHC em bolsões de tempo não utilizado em supercomputadores DOE. "Este é um grande exemplo de sinergia entre a física de alta energia e a física nuclear para tornar as coisas mais eficientes, "Panitkin disse.

p Um foco principal será projetar ferramentas que sejam "tolerantes a falhas" - capazes de redirecionar ou reenviar automaticamente os trabalhos para quaisquer recursos de computação disponíveis, sem que os usuários do sistema tenham que se preocupar em fazer essas solicitações. “A ideia é libertar os físicos para pensarem sobre a física, "Panitkin disse.

p Mukherjee, Panitkin, e outros membros da equipe de Brookhaven irão colaborar com cientistas na Iniciativa de Ciência Computacional de Brookhaven e testar suas idéias sobre recursos internos de supercomputação. As máquinas locais compartilham características arquitetônicas com supercomputadores de classe de liderança, embora em uma escala menor.

p "Nossos sistemas de pequena escala são realmente melhores para experimentar nossas novas ferramentas, "Mukherjee disse. Com tentativa e erro, eles então escalarão o que funciona para as arquiteturas de supercomputação radicalmente diferentes no horizonte.

p As ferramentas que a equipe de Brookhaven desenvolve irão, em última análise, beneficiar as instalações de pesquisa nuclear em todo o complexo DOE, e potencialmente outros campos da ciência também.