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    Las supercomputadoras ayudan a los científicos a estudiar las partículas más pequeñas del universo

    Esta imagen de un deuterón muestra el estado ligado de un protón, en rojo, y un neutrón, en azul. Crédito:Andy Sproles / ORNL, Departamento de Energía de EE. UU.

    Desde la década de 1930, Los científicos han estado utilizando aceleradores de partículas para comprender mejor la estructura de la materia y las leyes de la física que gobiernan nuestro mundo. Estos aceleradores son algunas de las herramientas experimentales más poderosas disponibles, impulsando partículas a casi la velocidad de la luz y luego chocando con ellas para permitir a los físicos estudiar las interacciones resultantes y las partículas que se forman.

    Muchos de los aceleradores de partículas más grandes tienen como objetivo proporcionar una comprensión de los hadrones:partículas subatómicas como protones o neutrones que se componen de dos o más partículas llamadas quarks. Los quarks se encuentran entre las partículas más pequeñas del universo, y llevan solo cargas eléctricas fraccionarias. Los científicos tienen una buena idea de cómo los quarks forman los hadrones, pero las propiedades de los quarks individuales han sido difíciles de desentrañar porque no se pueden observar fuera de sus respectivos hadrones.

    Usando la supercomputadora Summit ubicada en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía, un equipo de físicos nucleares liderado por Kostas Orginos en la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson y William &Mary ha desarrollado un método prometedor para medir las interacciones de los quarks en hadrones y ha aplicado este método a simulaciones que utilizan quarks con masas cercanas a las físicas. Para completar las simulaciones, el equipo utilizó una poderosa técnica computacional llamada cromodinámica cuántica de celosía, o LQCD, junto con la potencia informática de Summit, la supercomputadora más rápida del país. Los resultados fueron publicados en Cartas de revisión física .

    "Típicamente, los científicos solo han conocido una fracción de la energía y el impulso de los quarks cuando están en un protón, "dijo Joe Karpie, investigador científico postdoctoral en la Universidad de Columbia y autor principal del artículo. "Eso no les dice la probabilidad de que el quark se convierta en un tipo diferente de quark o partícula. Mientras que los cálculos anteriores se basaron en masas artificialmente grandes para ayudar a acelerar los cálculos, ahora hemos podido simularlos muy cerca de la masa física, y podemos aplicar este conocimiento teórico a datos experimentales para hacer mejores predicciones sobre la materia subatómica ".

    Los cálculos del equipo complementarán los experimentos realizados en el próximo colisionador de iones de electrones del DOE, o EIC, un colisionador de partículas que se construirá en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, o BNL, que proporcionará mapas tridimensionales espaciales y de momento detallados de cómo se distribuyen las partículas subatómicas dentro del protón.

    Comprender las propiedades de los quarks individuales podría ayudar a los científicos a predecir lo que sucederá cuando los quarks interactúen con el bosón de Higgs. una partícula elemental que está asociada con el campo de Higgs, un campo en la teoría de la física de partículas que da masa a la materia que interactúa con ella. El método también podría usarse para ayudar a los científicos a comprender los fenómenos que están gobernados por la fuerza débil, que es responsable de la desintegración radiactiva.

    Simulaciones a las escalas más pequeñas

    Para pintar una imagen precisa de cómo operan los quarks, los científicos normalmente deben promediar las propiedades de los quarks dentro de sus respectivos protones. Usando resultados de experimentos de colisionadores como los del Colisionador de Iones Pesados ​​Relativista en BNL, el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN o el próximo EIC del DOE, pueden extraer una fracción de la energía y el impulso de un quark.

    Pero predecir cuánto interactúan los quarks con partículas como el bosón de Higgs y calcular la distribución completa de las energías y los momentos de los quarks han sido desafíos de larga data en la física de partículas.

    Bálint Joó se incorporó recientemente al personal del laboratorio Oak Ridge Leadership Computing Facility, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Para comenzar a abordar este problema, Joó recurrió al paquete de software Chroma para lattice QCD y la biblioteca QUDA de NVIDIA. Lattice QCD brinda a los científicos la capacidad de estudiar quarks y gluones (las partículas elementales similares a pegamento que mantienen unidos a los quarks) en una computadora al representar el espacio-tiempo como una cuadrícula o una red en la que se formulan los campos de quarks y gluones. Usando Chroma y QUDA (para QCD en CUDA), Joó generó instantáneas del campo de fuerza fuerte en un cubo de espacio-tiempo, ponderando las instantáneas para describir lo que estaban haciendo los quarks en el vacío. Luego, otros miembros del equipo tomaron estas instantáneas y simularon lo que sucedería cuando los quarks se movieran a través del campo de fuerza fuerte.

    "Si sueltas un quark en este campo, se propagará de manera similar a cómo la caída de una carga eléctrica en un campo eléctrico hace que la electricidad se propague a través del campo, "Dijo Joó.

    Con una subvención de tiempo computacional del programa Impacto computacional novedoso e innovador del DOE en la teoría y el experimento, así como el apoyo del programa Scientific Discovery through Advanced Computing y el Exacale Computing Project, el equipo tomó los cálculos del propagador y los combinó usando Summit para generar partículas finales que luego podrían usar para extraer resultados.

    "Establecemos lo que se conoce como las masas de quarks desnudos y el acoplamiento quark-gluón en nuestras simulaciones, "Dijo Joó." Las masas reales de quarks, que surgen de estos valores desnudos, deben calcularse a partir de las simulaciones, por ejemplo, comparando los valores de algunas partículas calculadas con sus contrapartes del mundo real, que se conocen experimentalmente ".

    A partir de experimentos físicos, el equipo sabía que las partículas físicas más ligeras que estaban simulando, llamadas mesones pi, o piones:debe tener una masa de alrededor de 140 megaelectrones voltios, o MeV. Los cálculos del equipo oscilaron entre 358 MeV y 172 MeV, cerca de la masa experimental de piones.

    Las simulaciones requerían el poder de Summit debido a la cantidad de instantáneas de vacío que el equipo tuvo que generar y la cantidad de propagadores de quarks que debían calcularse en ellas. Para hacer una estimación de los resultados en la masa física del quark, los cálculos debían realizarse en tres masas diferentes de quarks y extrapolarse a la física. En total, el equipo usó más de 1, 000 instantáneas sobre tres masas de quarks diferentes en cubos con celosías que van desde 323 a 643 puntos en el espacio.

    "Cuanto más cerca estén las masas de los quarks en la simulación a la realidad, cuanto más difícil sea la simulación, "Karpie dijo." Cuanto más ligeros son los quarks, cuantas más iteraciones se requieran en nuestros solucionadores, así que llegar a las masas físicas de los quarks ha sido un gran desafío en QCD ".

    Los avances algorítmicos brindan nuevas oportunidades

    Joó, que ha estado usando el código Chroma en sistemas OLCF desde 2007, dijo que las mejoras en los algoritmos a lo largo de los años han contribuido a la capacidad de ejecutar simulaciones en la masa física.

    "Mejoras algorítmicas como solucionadores de redes múltiples y sus implementaciones en bibliotecas de software eficientes como QUDA, combinado con hardware que puede ejecutarlos, han hecho posible este tipo de simulaciones, " él dijo.

    Aunque Chroma es su código básico, Joó dijo que los avances en el desarrollo de código continuarán brindando oportunidades para abordar nuevos problemas desafiantes en la física de partículas.

    "A pesar de haber trabajado con este mismo código todos estos años, todavía suceden cosas nuevas bajo el capó, ", dijo." Siempre habrá nuevos desafíos porque siempre habrá nuevas máquinas, nuevas GPU, y nuevos métodos que podremos aprovechar ".

    En estudios futuros, el equipo planea explorar los gluones y obtener una imagen tridimensional completa del protón con sus diversos componentes.


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