Físicos de todo o mundo estão abrindo o próton, dentro do núcleo do átomo, para ver o que está dentro.

O próton é um bloco de construção fundamental do núcleo atômico, e, entre outras coisas, é usado como uma sonda médica em imagens de ressonância magnética. Ele também tem uma rica estrutura interna composta de partículas subatômicas chamadas quarks e glúons, que unem os quarks.

Os cientistas estão realizando um experimento único envolvendo o maior laboratório de física de partículas do mundo e o supercomputador universitário mais rápido do mundo para ver e compreender o mundo dinâmico dentro do próton.

Cerca de 240 físicos em 12 países e 24 instituições colaboram no experimento COMPASS - abreviação de Muon comum e aparelho de próton para estrutura e espectroscopia - no CERN, a Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear. Eles exploram a estrutura do próton dividindo-a em colisões de partículas usando feixes de partículas do Síncrotron Super Proton da Área Norte do CERN e um alvo fixo polarizado por spin.

O interior esmagado do próton é invisível a olho nu e requer grandes detectores, que registram e digitalizam informações sobre a partícula e as armazenam em um formato de dados especial. Para interpretar os dados, os físicos o processam usando algoritmos complexos.

"O padrão espacial e as velocidades das partículas em fragmentação nos permitem criar uma imagem dinâmica do próton e de outros objetos compostos de quarks, "disse Caroline Riedl, um professor assistente de pesquisa de física nuclear na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign (UIUC). Com seu grupo UIUC, Riedl está envolvido no programa Drell-Yan polarizado do COMPASS e foi o coordenador técnico do COMPASS para a corrida de 2018.

Sua equipe usou anteriormente o supercomputador Blue Waters no National Center for Supercomputing Applications para processar os muitos petabytes de dados COMPASS. Ela está estendendo sua pesquisa sobre o sistema Frontera no Texas Advanced Computing Center (TACC), o quinto supercomputador universitário mais poderoso e mais rápido do mundo.

Frontera irá impulsionar a análise dos dados COMPASS existentes feitos entre 2015 e 2018. Analisando os dados COMPASS coletados entre 2015 e 2018, sua equipe, juntamente com os colegas colaboradores do COMPASS, foi capaz de confirmar pela primeira vez a mudança de sinal teoricamente esperada da função Sivers no espalhamento Drell-Yan em comparação ao espalhamento inelástico profundo.

Esta distribuição chamada Sivers TMD ("Transverse-Momentum Dependent") surge de correlações entre o spin do próton e o momentum transversal do quark e, portanto, parece estar conectada ao movimento orbital do quark dentro do próton. Observação da mudança de sinal do Sivers TMD é um dos poucos marcos de desempenho do NSAC (Nuclear Science Advisory Committee) para pesquisas financiadas pelo DOE e NSF em física nuclear.

O experimento COMPASS dispara um feixe de píons (partículas feitas de quarks) em um alvo fixo. O resultado é narrado por 240 aviões de rastreamento que seguem o caminho das partículas subatômicas liberadas. É aqui que os desafios computacionais ficam pesados.

"O procedimento de encontrar rastros de partículas emergindo do ponto de interação e atravessando centenas de camadas de detectores COMPASS exige muito da CPU, "Riedl disse. O procedimento de rastreamento é uma das primeiras etapas na análise de dados. Uma tarefa adicional de alto custo de CPU é a amostragem de cerca de dois por cento dos dados para determinar a eficiência dos aviões detectores, de acordo com Riedl.

Fornecer os dados em tempo hábil para a análise física apresenta um obstáculo.

"O desafio consiste em paralelizar as submissões do código de rastreamento na grade de computação, respeitando o sistema em termos de E / S e número de nós de computação solicitados. Uma campanha de produção típica requer cerca de 50, 000, idealmente paralelo, envios do código de rastreamento, "Riedl disse.

Contudo, cerca de três petabytes de dados COMPASS foram movidos de Blue Waters para o sistema de gerenciamento de armazenamento Ranch da TACC, o que permite que seja analisado no Frontera.

Além de analisar os dados anteriores do COMPASS, sua equipe está usando o Frontera para projetar novos detectores para o futuro experimento COMPASS ++ / AMBER. Esta nova instalação na linha de feixe M2 do CERN Super Proton Synchrotron permitirá uma grande variedade de medições para tratar de questões fundamentais da cromodinâmica quântica.

O programa proposto cobre medições do raio de carga do próton usando feixes de múons, partículas elementares semelhantes ao elétron, mas com massa muito maior; a espectroscopia de mésons e bárions usando feixes de mésons dedicados; o estudo da estrutura de mesões e bárions por meio do processo Drell-Yan; e, finalmente, a busca fundamental sobre o surgimento da massa hadrônica.

Riedl é movido por questões fundamentais no cerne do próton. Como os quarks se movem dentro do próton, e qual é o seu movimento orbital? Como os quarks são distribuídos no próton? E como os quarks e glúons geram as grandes massas nucleares observadas?

A última questão será acessada pelo futuro experimento COMPASS ++ / AMBER no CERN, de acordo com Riedl.

"Executamos produções em massa de dados COMPASS no Frontera, determinar a eficiência do detector, e simular dados COMPASS e COMPASS ++ / AMBER. Os dados simulados desempenham um papel central na compreensão dos efeitos sutis do detector e complementam os dados experimentais, "Riedl disse." O Frontera nos permitirá analisar os dados do COMPASS em tempo hábil e com a precisão necessária para obter uma normalização absoluta dos dados com as menores incertezas possíveis. "

Riedl espera que análises aprimoradas em Frontera permitam aos pesquisadores fazer descobertas dentro do próton mais rápido do que nunca.

"Apenas o Frontera permitirá as simulações detalhadas necessárias para otimizar as atualizações de instrumentação para o futuro experimento COMPASS ++ / AMBER, "Ela acrescentou." Frontera é um sistema de supercomputação de ponta financiado pela National Science Foundation que permitirá aos pesquisadores dos EUA competir com equipes de pesquisa internacionais. "

A pesquisa de Riedl se encaixa no panorama da compreensão da física nuclear e da cromodinâmica quântica, a teoria de campo da força nuclear forte. Ela investiga questões como a forma como quarks e glúons formam os núcleos da matéria, e como prótons podem ser descritos em termos de Funções de Distribuição de Partons, "partons" referindo-se mais geralmente a quarks e gluons.

"A característica especial de nossos experimentos está no uso de feixes de partículas com polarização de spin em alvos fixos com polarização de spin, "Riedl disse." Com a introdução de momentos transversais de quark, rodar, e momentos angulares orbitais no formalismo, a subestrutura do próton torna-se igualmente rica como a subestrutura do átomo de hidrogênio, que foi descrito pela primeira vez na década de 1930, "ela acrescentou." Durante as primeiras décadas do século 21, estrutura hiperfina do próton mudou para o foco dos físicos do spin. "

Uma curiosidade implacável impulsiona seu trabalho.

"Os humanos são e sempre foram curiosos para descobrir o que mantém o mundo unido em sua essência, "Riedl disse." Tentamos desvendar a origem da massa de objetos em nossa vida diária e mapear a estrutura de quark dinâmica do próton. "