Na virada do século 20, os cientistas descobriram que os átomos eram compostos de partículas menores. Eles descobriram que dentro de cada átomo, elétrons carregados negativamente orbitam um núcleo feito de prótons carregados positivamente e partículas neutras chamadas nêutrons. Essa descoberta levou à pesquisa de núcleos atômicos e partículas subatômicas.

Uma compreensão das estruturas dessas partículas fornece insights cruciais sobre as forças que mantêm a matéria unida e permite que os pesquisadores apliquem esse conhecimento a outros problemas científicos. Embora os elétrons tenham sido relativamente simples de estudar, prótons e nêutrons se mostraram mais desafiadores. Prótons são usados ​​em tratamentos médicos, experimentos de espalhamento, e energia de fusão, mas os cientistas nucleares têm lutado para medir com precisão sua estrutura subjacente - até agora.

Em um artigo recente, uma equipe liderada por Constantia Alexandrou da Universidade de Chipre modelou a localização de uma das partículas subatômicas dentro de um próton, usando apenas a teoria básica das fortes interações que mantêm a matéria unida, em vez de presumir que essas partículas agiriam como agiram nos experimentos. Os pesquisadores empregaram o supercomputador Cray XK7 Titan de 27 petaflop no Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) e um método chamado cromodinâmica quântica lattice (QCD). A combinação permitiu mapear partículas subatômicas em uma grade e calcular as interações com alta exatidão e precisão.

"Ser capaz de realizar esses cálculos e quantificar com precisão as interações entre as partículas em um próton é essencial para obter uma melhor compreensão do próton e uma melhor compreensão da rede QCD como um todo, "Alexandrou disse." Por exemplo, se encontrarmos algo novo nesses tipos de cálculos que não é mostrado no experimento, podemos precisar reavaliar nossos conceitos teóricos. Isso seria uma descoberta significativa, claro."

Apenas um sistema de classe de liderança como o Titan do OLCF é capaz de executar cálculos pesados ​​de QCD em uma quantidade prática de tempo, a equipe disse. O OLCF é uma facilidade do usuário do Office of Science do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE), localizada no Laboratório Nacional de Oak Ridge do DOE.

"Titan era perfeito para nós por causa de sua arquitetura híbrida, Alexandrou disse. "Não teríamos conseguido fazer este cálculo sem este tipo de capacidade."

O feito é significativo porque modelar a estrutura do próton da rede QCD fornecerá informações importantes sobre como a matéria é mantida unida na escala subatômica. Uma compreensão mais profunda da QCD também pode permitir que os pesquisadores explorem a natureza do universo primitivo ou até mesmo apontem para uma nova física além da compreensão atual.

Um ato de desaparecimento

Durante uma colisão de partículas de alta energia, um elétron se quebra em um próton, sacudindo os componentes fundamentais do próton e depois saltando. O próton é composto de três partículas elementares - chamadas quarks - assim como as partículas de glúon que agem como portadoras da "força forte" que une os quarks firmemente como um saco de bolinhas de gude. Os quarks - ou "partões, "como foram originalmente denominados em 1969 pelo físico Richard Feynman - troca de momento com o elétron no ponto de contato.

Quando um quark é "expulso do saco, "algo interessante acontece. Em vez de se revelar ao observador, o quark é imediatamente emparelhado com um antiquark criado a partir do vácuo do espaço, tornando a partícula incolor, o que significa que não pode ser observado. Cientistas, Contudo, pode usar cálculos de rede QCD para descobrir onde o parton pode estar - e de onde pode ter vindo.

O Lattice QCD permite que os quarks sejam posicionados nos pontos da grade e os glúons nas ligações entre esses pontos. Usando métodos de amostragem estatística de Monte Carlo, algoritmos avançados, e grandes computadores, os cientistas podem amostrar com precisão o vácuo QCD, o estado em que a matéria tem a menor quantidade de energia. A supercomputação é essencial para a rede QCD porque quanto maior é a grade e mais próximos estão os pontos da grade, mais precisas as simulações podem ser.

Usando dados experimentais, os cientistas podem deduzir onde um parton pode estar, mas calcular sua localização do zero é mais difícil porque requer recursos de computação de alto desempenho massivos.

O time, em colaboração com pesquisadores da Deutsches Elektronen-Synchrotron-Zeuthen e Temple University, usou a rede QCD e um método desenvolvido por Xiangdong Ji na Universidade de Maryland e na Shanghai Jiao Tong University para identificar os locais prováveis ​​para um parton usando apenas a estrutura teórica subjacente das interações fortes - uma capacidade que pode ajudá-los a entender mais precisamente o que é dentro de um próton.

"Estudar as propriedades dos prótons é difícil porque você não pode separá-los e estudá-los, "Alexandrou disse, explicando que a força forte liga os quarks com tanta força dentro de um próton que os cientistas devem estudar as interações internas para obter novos insights. "Qualquer sistema composto na natureza, até agora, nós poderíamos quebrar. Mas nós nunca podemos, nunca quebrar o próton, então temos que estudar as partículas dentro dele. "

Ganhando impulso com a supercomputação

A complexidade do problema fez com que os pesquisadores tivessem que realizar uma série de etapas para chegar a uma resposta.

O primeiro passo foi simular com precisão o vácuo QCD. Usando o computador SuperMUC na Alemanha, o grupo simulou os glúons, quarks, e antiquarks em um vácuo cheio de partículas de energia negativa conhecido como mar de Dirac. Todo o vácuo mediu cerca de 5 femtômetros cúbicos (1 femtômetro é de 10-15 metros). Para comparação, um femtômetro é 300 bilhões de vezes menor que a largura de um grão de sal.

Próximo, Aurora Scapellato, bolsista Marie Sklodowska-Curie na Universidade de Chipre, realizou cálculos em Titã que mostraram o que acontece a um próton quando um elétron ejeta energia para ele. O problema é ainda mais complicado pelo fato de que o próton deve ter uma grande quantidade de momento enquanto está sendo medido.

A equipe usou um código chamado QUDA - ou QCD em CUDA, uma biblioteca para cálculos QCD de rede em GPUs - para realizar milhares de medições em uma alocação de 2 anos por meio do programa Impacto Computacional Inovador e Novo em Teoria e Experimento. Dez anos atrás, o número de cálculos usando arquiteturas anteriores teria sido limitado a cerca de cem no mesmo período.

"É incrível quantos cálculos mais somos capazes de fazer com Titan, "Alexandrou disse." Precisamos de ainda mais cálculos antes de começarmos a fazer simulações que são mais precisas do que experimentos. E o objetivo final é descobrir algo que ainda não sabemos. "

A equipe tem feito simulações em treliças maiores e espera levar o projeto para o próximo nível com ainda mais impulso. Uma quantidade maior de momentum fornecerá mais precisão - mas apenas se houver computação suficiente para controlar adequadamente os erros. A realização desses tipos de cálculos pode dar aos cientistas uma imagem abrangente da estrutura e das interações do próton.

O método também tem potencial para ser aplicado a outras partículas.

"Eventualmente, esses cálculos serão úteis para orientar experimentalistas, "Alexandrou disse." Se tivermos informações detalhadas sobre o próton, podemos dizer aos experimentalistas o que medir, o que não medir, onde olhar, e onde não olhar. E por meio desse processo, podemos até descobrir algo completamente novo. "