Desde a década de 1930, os cientistas têm usado aceleradores de partículas para obter insights sobre a estrutura da matéria e as leis da física que governam nosso mundo. Esses aceleradores são algumas das ferramentas experimentais mais poderosas disponíveis, impulsionar partículas a quase a velocidade da luz e, em seguida, colidi-las para permitir que os físicos estudem as interações resultantes e as partículas que se formam.

Muitos dos maiores aceleradores de partículas visam fornecer uma compreensão dos hádrons - partículas subatômicas, como prótons ou nêutrons, que são formados por duas ou mais partículas chamadas quarks. Quarks estão entre as menores partículas do universo, e eles carregam apenas cargas elétricas fracionárias. Os cientistas têm uma boa ideia de como os quarks formam os hádrons, mas as propriedades de quarks individuais têm sido difíceis de descobrir porque eles não podem ser observados fora de seus respectivos hádrons.

Usando o supercomputador Summit localizado no Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia, uma equipe de físicos nucleares liderada por Kostas Orginos no Thomas Jefferson National Accelerator Facility e William &Mary desenvolveu um método promissor para medir as interações de quarks em hádrons e aplicou esse método a simulações usando quarks com massas próximas às físicas. Para completar as simulações, a equipe usou uma técnica computacional poderosa chamada cromodinâmica quântica de rede, ou LQCD, juntamente com o poder de computação da Summit, o supercomputador mais rápido do país. Os resultados foram publicados em Cartas de revisão física .

"Tipicamente, os cientistas conheceram apenas uma fração da energia e momento dos quarks quando eles estão em um próton, "disse Joe Karpie, cientista pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Columbia e principal autor do artigo. "Isso não diz a eles a probabilidade de o quark se transformar em um tipo diferente de quark ou partícula. Enquanto os cálculos anteriores dependiam de massas artificialmente grandes para ajudar a acelerar os cálculos, agora fomos capazes de simular estes em muito perto da massa física, e podemos aplicar esse conhecimento teórico a dados experimentais para fazer melhores previsões sobre a matéria subatômica. "

Os cálculos da equipe irão complementar os experimentos realizados no próximo Colisor Eletron-Íon do DOE, ou EIC, um colisor de partículas a ser construído no Laboratório Nacional de Brookhaven, ou BNL, que fornecerá mapas 3D espaciais e de momento detalhados de como as partículas subatômicas são distribuídas dentro do próton.

Compreender as propriedades dos quarks individuais pode ajudar os cientistas a prever o que acontecerá quando os quarks interagirem com o bóson de Higgs, uma partícula elementar que está associada ao campo de Higgs, um campo na teoria da física de partículas que dá massa à matéria que interage com ela. O método também pode ser usado para ajudar os cientistas a entender fenômenos que são governados pela força fraca, que é responsável pela decadência radioativa.

Simulações nas menores escalas

Para pintar um quadro preciso de como os quarks operam, os cientistas normalmente precisam calcular a média das propriedades dos quarks dentro de seus respectivos prótons. Usando resultados de experimentos com colisor, como os do Colisor de íons pesados ​​relativísticos do BNL, o Large Hadron Collider no CERN ou o próximo EIC do DOE, eles podem extrair uma fração da energia e do momentum de um quark.

Mas prever o quanto os quarks interagem com partículas como o bóson de Higgs e calcular a distribuição completa das energias e momentos dos quarks continuam sendo desafios de longa data na física das partículas.

Bálint Joó recentemente se juntou à equipe do laboratório Oak Ridge Leadership Computing Facility, uma facilidade de usuário do DOE Office of Science. Para começar a lidar com esse problema, Joó recorreu ao pacote de software Chroma para o lattice QCD e a biblioteca QUDA da NVIDIA. O Lattice QCD dá aos cientistas a capacidade de estudar quarks e glúons - as partículas elementares semelhantes a cola que mantêm os quarks unidos - em um computador, representando o espaço-tempo como uma grade ou treliça na qual os campos de quarks e glúons são formulados. Usando Chroma e QUDA (para QCD em CUDA), Joó gerou instantâneos do campo de força forte em um cubo de espaço-tempo, ponderando os instantâneos para descrever o que os quarks estavam fazendo no vácuo. Outros membros da equipe então tiraram esses instantâneos e simularam o que aconteceria quando os quarks se movessem pelo campo de força forte.

"Se você colocar um quark neste campo, ele se propagará de forma semelhante a como a queda de uma carga elétrica em um campo elétrico faz com que a eletricidade se propague através do campo, "Disse Joó.

Com a concessão de tempo computacional do programa Impacto Computacional Inovador e Novo do DOE na Teoria e Experimento, bem como o apoio da Descoberta Científica através do programa de Computação Avançada e do Projeto de Computação Exacale, a equipe pegou os cálculos do propagador e os combinou usando Summit para gerar partículas finais que eles poderiam usar para extrair resultados.

"Definimos o que é conhecido como massas de quark nuas e o acoplamento quark-gluon em nossas simulações, "Disse Joó." As massas reais do quark, que surgem desses valores básicos, precisam ser calculados a partir das simulações - por exemplo, comparando os valores de algumas partículas computadas com suas contrapartes do mundo real, que são conhecidos experimentalmente. "

Com base em experimentos físicos, a equipe sabia que as partículas físicas mais leves que eles estavam simulando - chamadas de mésons pi, ou píons - deve ter uma massa de cerca de 140 megaelétrons volts, ou MeV. Os cálculos da equipe variaram de 358 MeV até 172 MeV, perto da massa experimental de píons.

As simulações exigiram o poder do Summit por causa do número de instantâneos de vácuo que a equipe teve que gerar e o número de propagadores de quark que precisaram ser calculados neles. Para fazer uma estimativa dos resultados na massa física do quark, cálculos precisavam ser realizados em três massas diferentes de quarks e extrapolados para o físico. No total, a equipe usou mais de 1, 000 instantâneos sobre três massas de quark diferentes em cubos com redes que variam de 323 a 643 pontos no espaço.

"Quanto mais próximas as massas dos quarks na simulação estão da realidade, mais difícil é a simulação, "Karpie disse." Quanto mais leves os quarks são, quanto mais iterações são necessárias em nossos solucionadores, portanto, chegar às massas físicas do quark tem sido um grande desafio na QCD. "

Avanços algorítmicos trazem novas oportunidades

Joó, que tem usado o código Chroma em sistemas OLCF desde 2007, disse que as melhorias nos algoritmos ao longo dos anos contribuíram para a capacidade de executar simulações na massa física.

"Melhorias algorítmicas como solvers multigrid e suas implementações em bibliotecas de software eficientes, como QUDA, combinado com hardware que pode executá-los, tornaram esses tipos de simulações possíveis, " ele disse.

Embora Chroma seja seu código-chave, Joó disse que os avanços no desenvolvimento de código continuarão a fornecer oportunidades para direcionar novos problemas de desafio na física de partículas.

"Apesar de ter trabalhado com esse mesmo código todos esses anos, coisas novas ainda acontecem sob o capô, "disse ele." Sempre haverá novos desafios porque sempre haverá novas máquinas, novas GPUs, e novos métodos dos quais poderemos tirar proveito. "

Em estudos futuros, a equipe planeja explorar glúons, bem como obter uma imagem 3D completa do próton com seus vários componentes.