A principios del siglo XX, Los científicos descubrieron que los átomos estaban compuestos de partículas más pequeñas. Descubrieron que dentro de cada átomo, los electrones cargados negativamente orbitan un núcleo formado por protones cargados positivamente y partículas neutras llamadas neutrones. Este descubrimiento llevó a la investigación de núcleos atómicos y partículas subatómicas.

La comprensión de las estructuras de estas partículas proporciona información crucial sobre las fuerzas que mantienen unida la materia y permite a los investigadores aplicar este conocimiento a otros problemas científicos. Aunque los electrones han sido relativamente sencillos de estudiar, los protones y neutrones han resultado más desafiantes. Los protones se utilizan en tratamientos médicos, experimentos de dispersión, y energía de fusión, pero los científicos nucleares han luchado por medir con precisión su estructura subyacente, hasta ahora.

En un artículo reciente, un equipo dirigido por Constantia Alexandrou en la Universidad de Chipre modeló la ubicación de una de las partículas subatómicas dentro de un protón, utilizando solo la teoría básica de las interacciones fuertes que mantienen unida a la materia en lugar de asumir que estas partículas actuarían como lo habían hecho en los experimentos. Los investigadores emplearon la supercomputadora Cray XK7 Titan de 27 petaflop en el Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) y un método llamado cromodinámica cuántica de celosía (QCD). La combinación les permitió mapear partículas subatómicas en una cuadrícula y calcular interacciones con alta exactitud y precisión.

"Ser capaz de realizar estos cálculos y cuantificar con precisión las interacciones entre las partículas en un protón es esencial para obtener una mejor comprensión del protón y una mejor comprensión de la red QCD en su conjunto, "Dijo Alexandrou." Por ejemplo, si encontramos algo nuevo de este tipo de cálculos que no se muestra en el experimento, es posible que necesitemos reevaluar nuestros conceptos teóricos. Ese sería un hallazgo significativo, por supuesto."

Solo un sistema de clase de liderazgo como el Titan de OLCF es capaz de ejecutar cálculos de QCD tan pesados ​​en una cantidad de tiempo práctica, dijo el equipo. La OLCF es una instalación para usuarios de la Oficina de ciencias científicas del Departamento de Energía de EE. UU. Ubicada en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE.

"Titan fue perfecto para nosotros debido a su arquitectura híbrida, "Dijo Alexandrou." No hubiéramos logrado hacer este cálculo sin este tipo de capacidad ".

La hazaña es significativa porque modelar la estructura del protón a partir de la red QCD proporcionará información importante sobre cómo se mantiene unida la materia en la escala subatómica. Una comprensión más profunda de QCD también podría permitir a los investigadores explorar la naturaleza del universo temprano o incluso apuntar hacia una nueva física más allá de la comprensión actual.

Un acto de desaparición

Durante una colisión de partículas de alta energía, un electrón choca contra un protón, sacudiendo los componentes fundamentales del protón y luego rebotando. El protón está formado por tres partículas elementales, llamadas quarks, así como por partículas de gluones que actúan como portadores de la "fuerza fuerte" que une a los quarks estrechamente como una bolsa de canicas. Los quarks, o "partons, "como los denominó originalmente en 1969 el físico Richard Feynman, intercambian impulso con el electrón en el punto de contacto".

Cuando un quark se "saca de la bolsa, "sucede algo interesante. En lugar de revelarse al observador, el quark se empareja inmediatamente con un antiquark creado a partir del vacío del espacio, hacer que la partícula sea incolora, lo que significa que no se puede observar. Científicos, sin embargo, Puede usar cálculos de celosía QCD para averiguar dónde puede estar el partón y de dónde puede haber venido.

Lattice QCD permite que los quarks se coloquen en los puntos de la cuadrícula y los gluones en los enlaces entre estos puntos. Mediante el uso de métodos de muestreo estadístico de Monte Carlo, algoritmos avanzados, y grandes ordenadores, los científicos pueden muestrear con precisión el vacío QCD, el estado en el que la materia tiene la menor cantidad de energía. La supercomputación es esencial para la celosía QCD porque cuanto más grande es la cuadrícula y más cercanos están los puntos de la cuadrícula, cuanto más precisas puedan ser las simulaciones.

Usando datos experimentales, los científicos pueden deducir dónde podría estar un parton, pero calcular su ubicación desde cero resulta más difícil porque requiere enormes recursos informáticos de alto rendimiento.

El equipo, en colaboración con investigadores de Deutsches Elektronen-Synchrotron-Zeuthen y Temple University, usó QCD de celosía y un método desarrollado por Xiangdong Ji en la Universidad de Maryland y la Universidad Jiao Tong de Shanghai para identificar las ubicaciones probables de un partón utilizando solo el marco teórico subyacente de las interacciones fuertes, una capacidad que puede ayudarlos a comprender con mayor precisión qué es dentro de un protón.

"Estudiar las propiedades de los protones es difícil porque no se pueden dividir y estudiar, "Alexandrou dijo, explicando que la fuerza fuerte une a los quarks con tanta fuerza dentro de un protón que los científicos deben estudiar las interacciones interiores para obtener nuevos conocimientos. "Cualquier sistema compuesto en la naturaleza, hasta ahora, podríamos romper. Pero nunca podremos alguna vez romper el protón, así que tenemos que estudiar las partículas en su interior ".

Ganando impulso con la supercomputación

La complejidad del problema hizo que los investigadores tuvieran que realizar una serie de pasos para llegar a una respuesta.

El primer paso fue simular con precisión el vacío QCD. Usando la computadora SuperMUC en Alemania, el grupo simuló los gluones, quarks, y antiquarks en un vacío lleno de partículas de energía negativa conocido como el mar de Dirac. El vacío total medía alrededor de 5 femtómetros cúbicos (1 femtómetro equivale a 10-15 metros). Para comparacion, un femómetro es 300 mil millones de veces más pequeño que el ancho de un grano de sal.

Próximo, Aurora Scapellato, becario Marie Sklodowska-Curie en la Universidad de Chipre, realizaron cálculos en Titán que mostraban lo que le sucede a un protón cuando un electrón le expulsa energía. El problema se complica además por el hecho de que el protón debe tener una gran cantidad de momento mientras se mide.

El equipo usó un código llamado QUDA, o QCD en CUDA, una biblioteca para cálculos de celosía QCD en GPU, para realizar miles de mediciones durante una asignación de 2 años a través del programa Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment. Hace diez años, el número de cálculos utilizando arquitecturas anteriores se habría limitado a alrededor de un centenar dentro del mismo período de tiempo.

"Es increíble cuántos cálculos más podemos hacer con Titán, "Dijo Alexandrou." Necesitamos incluso más cálculos antes de que podamos comenzar a hacer simulaciones que sean más precisas que los experimentos. Y el objetivo final es descubrir algo que aún no sabemos ".

El equipo ha estado ejecutando simulaciones en celosías más grandes y espera llevar el proyecto al siguiente nivel con aún más impulso. Una mayor cantidad de impulso proporcionará más precisión, pero solo si hay suficientes cálculos para controlar adecuadamente los errores. La realización de este tipo de cálculos podría dar a los científicos una imagen completa de la estructura y las interacciones del protón.

El método también tiene el potencial de aplicarse a otras partículas.

"Finalmente, Estos cálculos serán útiles para guiar a los experimentadores, "Dijo Alexandrou." Si tenemos información detallada sobre el protón, podemos decirles a los experimentadores qué medir, que no medir, donde mirar, y donde no mirar. Y a través de este proceso, incluso podemos descubrir algo completamente nuevo ".