Los físicos nucleares son conocidos por sus exploraciones de destrucción de átomos de los componentes básicos de la materia visible. En el colisionador de iones pesados ​​relativista (RHIC), un colisionador de partículas en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), y el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el laboratorio CERN de Europa, dirigen núcleos atómicos hacia colisiones frontales para aprender sobre las sutiles interacciones de los quarks y gluones en su interior.

Para comprender completamente lo que sucede en estos aplastamientos de partículas y cómo los quarks y gluones forman la estructura de todo lo que vemos en el universo hoy, los científicos también necesitan herramientas computacionales sofisticadas:software y algoritmos para rastrear y analizar los datos y realizar los cálculos complejos que modelan lo que esperan encontrar.

Ahora, con fondos de la Oficina de Física Nuclear del DOE y la Oficina de Investigación en Computación Científica Avanzada en la Oficina de Ciencias, Los físicos nucleares y los científicos computacionales del Brookhaven Lab ayudarán a desarrollar la próxima generación de herramientas computacionales para impulsar el campo. Su software y sistemas de administración de flujo de trabajo estarán diseñados para explotar las arquitecturas diversas y en constante evolución de las instalaciones informáticas de liderazgo del DOE, algunas de las supercomputadoras más potentes y las redes de intercambio de datos más rápidas del mundo. Brookhaven Lab recibirá aproximadamente $ 2.5 millones durante los próximos cinco años para apoyar este esfuerzo para permitir la investigación de física nuclear en RHIC (una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE) y el LHC.

El "centro" de Brookhaven será uno de los tres financiados por el programa Scientific Discovery through Advanced Computing del DOE para 2017 (también conocido como SciDAC4) en virtud de una propuesta dirigida por Thomas Jefferson National Accelerator Facility del DOE. El objetivo general de estos proyectos es mejorar los cálculos futuros de la cromodinámica cuántica (QCD), la teoría que describe quarks y gluones y sus interacciones.

"No podemos simplemente hacer estos cálculos en una computadora portátil, "dijo el teórico nuclear Swagato Mukherjee, quien liderará el equipo de Brookhaven. "Necesitamos supercomputadoras y algoritmos y técnicas especiales para que los cálculos sean accesibles en un plazo de tiempo razonable".

Los científicos llevan a cabo cálculos de QCD representando las posibles posiciones e interacciones de quarks y gluones como puntos en una retícula de espacio-tiempo imaginaria en 4-D. Tales cálculos de "celosía QCD" involucran miles de millones de variables. Y la complejidad de los cálculos crece a medida que las preguntas que los científicos buscan responder requieren simulaciones de interacciones de quarks y gluones en escalas cada vez más pequeñas.

Por ejemplo, un experimento mejorado propuesto en RHIC conocido como sPHENIX tiene como objetivo rastrear las interacciones de quarks más masivos con el plasma de quark-gluón creado en colisiones de iones pesados. Estos estudios ayudarán a los científicos a investigar el comportamiento del plasma de quark-gluón similar a un líquido a escalas de longitud más cortas.

"Si quieres sondear cosas a escalas de distancia más cortas, es necesario reducir el espacio entre los puntos de la celosía. Pero el tamaño general de la celosía es el mismo, entonces hay más puntos, empaquetados más de cerca, "Dijo Mukherjee.

Similar, Al explorar las interacciones quarks-gluones en la parte más densa del "diagrama de fase", un mapa de cómo existen los quarks y los gluones en diferentes condiciones de temperatura y presión, los científicos buscan cambios sutiles que podrían indicar la existencia de un "punto crítico". , "un cambio repentino en la forma en que la materia nuclear cambia de fase. Los físicos del RHIC tienen un plan para realizar colisiones en un rango de energías — un escaneo de energía de haz — para buscar este punto crítico de QCD".

"Para encontrar un punto crítico, necesita sondear un aumento en las fluctuaciones, lo que requiere configuraciones más diferentes de quarks y gluones. Esa complejidad dificulta los cálculos en órdenes de magnitud, "Dijo Mukherjee.

Afortunadamente, hay una nueva generación de supercomputadoras en el horizonte, ofreciendo mejoras tanto en la velocidad como en la forma en que se realiza el procesamiento. Pero para aprovechar al máximo esas nuevas capacidades, el software y otras herramientas computacionales también deben evolucionar.

"Nuestro objetivo es desarrollar las herramientas y los métodos de análisis para permitir que la próxima generación de supercomputadoras ayude a clasificar y dar sentido a los datos de QCD importantes, "Dijo Mukherjee.

Un desafío clave será el desarrollo de herramientas que se puedan utilizar en una variedad de nuevas arquitecturas de supercomputación, que también están todavía en desarrollo.

"Nadie en este momento tiene una idea de cómo operarán, pero sabemos que tendrán arquitecturas muy heterogéneas, ", dijo el físico de Brookhaven Sergey Panitkin." Así que necesitamos desarrollar sistemas para trabajar en diferentes tipos de supercomputadoras. Queremos exprimir hasta el último gramo de rendimiento de las supercomputadoras más nuevas, y queremos hacerlo en un lugar centralizado, con una entrada e interacción perfecta para los usuarios, " él dijo.

El esfuerzo se basará en la experiencia adquirida en el desarrollo de herramientas de gestión del flujo de trabajo para alimentar datos de física de alta energía del experimento ATLAS del LHC en espacios de tiempo no utilizado en supercomputadoras DOE. "Este es un gran ejemplo de sinergia entre la física de altas energías y la física nuclear para hacer las cosas más eficientes, "Dijo Panitkin.

Un enfoque principal será diseñar herramientas que sean "tolerantes a fallas", capaces de redirigir o reenviar trabajos automáticamente a cualquier recurso informático disponible sin que los usuarios del sistema tengan que preocuparse por realizar esas solicitudes. "La idea es liberar a los físicos para que piensen en física, "Dijo Panitkin.

Mukherjee, Panitkin, y otros miembros del equipo de Brookhaven colaborarán con científicos en la Iniciativa de Ciencia Computacional de Brookhaven y probarán sus ideas en recursos de supercomputación internos. Las máquinas locales comparten características arquitectónicas con supercomputadoras de clase líder, aunque a menor escala.

"Nuestros sistemas a pequeña escala son realmente mejores para probar nuestras nuevas herramientas, "Dijo Mukherjee. Con prueba y error, luego escalarán lo que funciona para las arquitecturas de supercomputación radicalmente diferentes en el horizonte.

Las herramientas que desarrolla el equipo de Brookhaven beneficiarán en última instancia a las instalaciones de investigación nuclear en todo el complejo del DOE, y potencialmente también en otros campos de la ciencia.