Físicos de todo el mundo están abriendo el protón, dentro del núcleo del átomo, para ver lo que hay dentro.

El protón es un bloque de construcción fundamental del núcleo atómico, y, entre otras cosas, se utiliza como sonda médica en imágenes por resonancia magnética. También tiene una rica estructura interna formada por partículas subatómicas llamadas quarks y gluones, que unen a los quarks.

Los científicos están llevando a cabo un experimento único en el que participa el laboratorio de física de partículas más grande del mundo y la supercomputadora universitaria más rápida del mundo para ver y comprender el mundo dinámico dentro del protón.

Aproximadamente 240 físicos en 12 países y 24 instituciones colaboran en el experimento COMPASS (abreviatura de Common Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy) en el CERN, la Organización Europea de Investigación Nuclear. Ellos exploran la estructura de protones allí rompiéndola en colisiones de partículas utilizando haces de partículas del Sincrotrón de Super Protones del Área Norte del CERN y un objetivo fijo de espín polarizado.

El interior aplastado del protón es invisible a simple vista y requiere grandes detectores. que registran y digitalizan información sobre la partícula y la almacenan en un formato de datos especial. Para interpretar los datos, los físicos lo procesan utilizando algoritmos complejos.

"El patrón espacial y las velocidades de las partículas que se fragmentan nos permiten crear una imagen dinámica del protón y otros objetos compuestos por quarks, "dijo Caroline Riedl, profesor asistente de investigación de física nuclear en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (UIUC). Con su grupo UIUC, Riedl está involucrado en el programa Drell-Yan polarizado COMPASS y fue el coordinador técnico de COMPASS para la carrera de 2018.

Su equipo utilizó anteriormente la supercomputadora Blue Waters en el Centro Nacional de Aplicaciones de Supercomputación para procesar los muchos petabytes de datos COMPASS. Ella está ampliando su investigación al sistema Frontera en el Centro de Computación Avanzada de Texas (TACC), la quinta supercomputadora universitaria más potente y más rápida del mundo.

Frontera impulsará el análisis de los datos COMPASS existentes tomados entre 2015 y 2018. Analizando los datos COMPASS recopilados entre 2015 y 2018, su equipo, junto con los colegas colaboradores de COMPASS, pudo confirmar por primera vez el cambio de signo teóricamente esperado de la función Sivers en la dispersión Drell-Yan en comparación con la Dispersión inelástica profunda.

Esta distribución denominada Sivers TMD ("Dependiente del momento transversal") surge de las correlaciones entre el espín del protón y el momento transversal del quark y, por lo tanto, parece estar conectada al movimiento orbital del quark dentro del protón. La observación del cambio de signo del TMD de Sivers es uno de los pocos hitos de desempeño del NSAC (Comité Asesor de Ciencias Nucleares) para la investigación en física nuclear financiada por el DOE y la NSF.

El experimento COMPASS dispara un rayo de piones (partículas hechas de quarks) sobre un objetivo fijo. Las secuelas están narradas por 240 planos de seguimiento que siguen el camino de las partículas subatómicas liberadas. Aquí es donde los desafíos computacionales se vuelven más pesados.

"El procedimiento de encontrar pistas de partículas que emergen del punto de interacción y atraviesan cientos de capas del detector COMPASS requiere un uso intensivo de la CPU, ", Dijo Riedl. El procedimiento de seguimiento es uno de los primeros pasos en el análisis de datos. Una tarea adicional muy costosa de la CPU es el muestreo de aproximadamente el dos por ciento de los datos para determinar la eficiencia de los planos del detector, según Riedl.

Proporcionar los datos de manera oportuna para el análisis físico presenta un obstáculo.

"El desafío consiste en paralelizar los envíos del código de seguimiento en la cuadrícula de computación respetando el sistema en términos de E / S y número de nodos de computación solicitados. Una campaña de producción típica requiere alrededor de 50, 000, idealmente paralelo, envíos del código de seguimiento, "Dijo Riedl.

Considerándolo todo, aproximadamente tres petabytes de datos COMPASS se han movido de Blue Waters al sistema de gestión de almacenamiento Ranch de TACC, lo que permite analizarlo en Frontera.

Además de analizar los datos anteriores de COMPASS, su equipo está utilizando Frontera para diseñar nuevos detectores para el futuro experimento COMPASS ++ / AMBER. Esta nueva instalación en la línea de haces M2 del CERN Super Proton Synchrotron permitirá una gran variedad de mediciones para abordar problemas fundamentales de la cromodinámica cuántica.

El programa propuesto cubre las mediciones del radio de carga del protón utilizando haces de muones, partículas elementales similares al electrón pero con una masa mucho mayor; la espectroscopia de mesones y bariones mediante el uso de haces de mesones dedicados; el estudio de la estructura de mesones y bariones mediante el proceso de Drell-Yan; y finalmente la búsqueda fundamental sobre el surgimiento de la masa hadrónica.

Riedl está impulsado por cuestiones fundamentales en el corazón del protón. ¿Cómo se mueven los quarks dentro del protón? y cual es su movimiento orbital? ¿Cómo se distribuyen los quarks en el protón? ¿Y cómo generan los quarks y gluones las grandes masas nucleares observadas?

Se accederá a esta última pregunta mediante el futuro experimento COMPASS ++ / AMBER en el CERN, según Riedl.

"Realizamos producciones masivas de datos COMPASS en Frontera, determinar la eficiencia del detector, y simular datos COMPASS y COMPASS ++ / AMBER. Los datos simulados juegan un papel central en la comprensión de los efectos sutiles del detector y complementan los datos experimentales. ", Dijo Riedl." Frontera nos permitirá analizar los datos de COMPASS de manera oportuna y con la precisión requerida para obtener una normalización absoluta de los datos con las menores incertidumbres posibles ".

Riedl espera que un análisis mejorado en Frontera permitirá a los investigadores alcanzar descubrimientos dentro del protón más rápido que nunca.

"Solo Frontera permitirá las simulaciones detalladas necesarias para optimizar las actualizaciones de instrumentación para el futuro experimento COMPASS ++ / AMBER, ", agregó." Frontera es un sistema de supercomputación de vanguardia financiado por la National Science Foundation que permitirá a los investigadores estadounidenses competir con equipos de investigación internacionales ".

La investigación de Riedl encaja en el panorama más amplio de la comprensión de la física nuclear y la cromodinámica cuántica, la teoría del campo de la fuerza nuclear fuerte. Ella investiga cuestiones como cómo los quarks y gluones forman los núcleos de la materia, y cómo se pueden describir los protones en términos de funciones de distribución de Parton, "partons" se refiere más generalmente a quarks y gluones.

"La característica especial de nuestros experimentos radica en el uso de haces de partículas con espín polarizado en objetivos fijos con espín polarizado, ", Dijo Riedl." Al introducir momentos de quark transversales, girar, y momentos angulares orbitales en el formalismo, La subestructura del protón se vuelve igualmente rica como la subestructura del átomo de hidrógeno, que se describió por primera vez en la década de 1930, ", agregó." Durante las primeras décadas del siglo XXI, La estructura hiperfina de protones se ha convertido en el foco de atención de los físicos de espín ".

La curiosidad implacable impulsa su trabajo.

"Los seres humanos siempre han tenido curiosidad por descubrir qué es lo que mantiene unido al mundo en su esencia, ", Dijo Riedl." Intentamos desentrañar el origen de la masa de objetos en nuestra vida diaria y trazar un mapa de la estructura dinámica de quarks del protón ".