I fisici nucleari sono noti per le loro esplorazioni che distruggono gli atomi degli elementi costitutivi della materia visibile. Al Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), un collisore di particelle presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), e il Large Hadron Collider (LHC) presso il laboratorio europeo del CERN, guidano i nuclei atomici in collisioni frontali per conoscere le sottili interazioni dei quark e dei gluoni all'interno.

Per comprendere appieno cosa accade in questi frammenti di particelle e come quark e gluoni formino la struttura di tutto ciò che vediamo oggi nell'universo, gli scienziati hanno anche bisogno di strumenti computazionali sofisticati, software e algoritmi per tracciare e analizzare i dati ed eseguire calcoli complessi che modellano ciò che si aspettano di trovare.

Ora, con il finanziamento dell'Ufficio di fisica nucleare del DOE e dell'Ufficio di ricerca scientifica avanzata nell'informatica presso l'Ufficio delle scienze, i fisici nucleari e gli scienziati computazionali del Brookhaven Lab aiuteranno a sviluppare la prossima generazione di strumenti computazionali per portare avanti il ​​campo. I loro software e sistemi di gestione del flusso di lavoro saranno progettati per sfruttare le architetture diverse e in continua evoluzione dei Leadership Computing Facilities del DOE, alcuni dei supercomputer più potenti e delle reti di condivisione dati più veloci al mondo. Brookhaven Lab riceverà circa 2,5 milioni di dollari nei prossimi cinque anni per sostenere questo sforzo per consentire la ricerca sulla fisica nucleare presso RHIC (un DOE Office of Science User Facility) e LHC.

L'"hub" di Brookhaven sarà uno dei tre finanziati dal programma Scientific Discovery through Advanced Computing del DOE per il 2017 (noto anche come SciDAC4) nell'ambito di una proposta guidata dalla Thomas Jefferson National Accelerator Facility del DOE. L'obiettivo generale di questi progetti è migliorare i calcoli futuri della cromodinamica quantistica (QCD), la teoria che descrive quark e gluoni e le loro interazioni.

"Non possiamo semplicemente fare questi calcoli su un laptop, " ha detto il teorico nucleare Swagato Mukherjee, che guiderà la squadra di Brookhaven. "Abbiamo bisogno di supercomputer e algoritmi e tecniche speciali per rendere i calcoli accessibili in un lasso di tempo ragionevole".

Gli scienziati eseguono calcoli QCD rappresentando le possibili posizioni e interazioni di quark e gluoni come punti su un reticolo spazio-tempo 4-D immaginario. Tali calcoli "reticolo QCD" coinvolgono miliardi di variabili. E la complessità dei calcoli cresce man mano che le domande a cui gli scienziati cercano di rispondere richiedono simulazioni delle interazioni di quark e gluoni su scale sempre più piccole.

Per esempio, un esperimento aggiornato proposto al RHIC noto come sPHENIX mira a tracciare le interazioni dei quark più massicci con il plasma di quark e gluoni creato nelle collisioni di ioni pesanti. Questi studi aiuteranno gli scienziati a sondare il comportamento del plasma di quark e gluoni simile a un liquido su scale di lunghezza più brevi.

"Se vuoi sondare le cose su scale di distanza più brevi, è necessario ridurre la spaziatura tra i punti sul reticolo. Ma la dimensione complessiva del reticolo è la stessa, quindi ci sono più punti, più fitto, " ha detto Mukherjee.

Allo stesso modo, quando esplorano le interazioni quark-gluoni nella parte più densa del "diagramma di fase" - una mappa di come i quark e i gluoni esistono in diverse condizioni di temperatura e pressione - gli scienziati sono alla ricerca di sottili cambiamenti che potrebbero indicare l'esistenza di un "punto critico , " un improvviso cambiamento nel modo in cui la materia nucleare cambia fase. I fisici RHIC hanno un piano per condurre collisioni a una gamma di energie - una scansione dell'energia del raggio - per cercare questo punto critico QCD.

"Per trovare un punto critico, è necessario sondare per un aumento delle fluttuazioni, che richiede configurazioni più diverse di quark e gluoni. Questa complessità rende i calcoli di ordini di grandezza più difficili, " ha detto Mukherjee.

Fortunatamente, c'è una nuova generazione di supercomputer all'orizzonte, offrendo miglioramenti sia nella velocità che nel modo in cui viene eseguita l'elaborazione. Ma per sfruttare al massimo queste nuove capacità, anche il software e gli altri strumenti di calcolo devono evolversi.

"Il nostro obiettivo è sviluppare gli strumenti e i metodi di analisi per consentire alla prossima generazione di supercomputer di aiutare a classificare e dare un senso ai dati QCD caldi, " ha detto Mukherjee.

Una sfida chiave sarà lo sviluppo di strumenti che possono essere utilizzati in una gamma di nuove architetture di supercalcolo, anch'essi ancora in fase di sviluppo.

"Nessuno in questo momento ha un'idea di come funzioneranno, ma sappiamo che avranno architetture molto eterogenee, " ha detto il fisico di Brookhaven Sergey Panitkin. "Quindi abbiamo bisogno di sviluppare sistemi per lavorare su diversi tipi di supercomputer. Vogliamo spremere ogni grammo di prestazioni dai nuovissimi supercomputer, e vogliamo farlo in un luogo centralizzato, con un input e un'interazione perfetta per gli utenti, " Egli ha detto.

Lo sforzo si baserà sull'esperienza acquisita nello sviluppo di strumenti di gestione del flusso di lavoro per alimentare i dati di fisica ad alta energia dall'esperimento ATLAS di LHC in sacche di tempo inutilizzato sui supercomputer DOE. "Questo è un ottimo esempio di sinergia tra la fisica delle alte energie e la fisica nucleare per rendere le cose più efficienti, " ha detto Panitkin.

Uno degli obiettivi principali sarà la progettazione di strumenti "fault tolerant", in grado di reindirizzare o inviare di nuovo automaticamente i lavori a qualsiasi risorsa di elaborazione disponibile senza che gli utenti del sistema debbano preoccuparsi di effettuare tali richieste. "L'idea è di liberare i fisici per pensare alla fisica, " ha detto Panitkin.

Mukherjee, Panitkin, e altri membri del team di Brookhaven collaboreranno con gli scienziati della Computational Science Initiative di Brookhaven e testeranno le loro idee su risorse di supercalcolo interne. Le macchine locali condividono le caratteristiche architettoniche con i supercomputer della classe dirigente, anche se in scala minore.

"I nostri sistemi su piccola scala sono in realtà migliori per provare i nostri nuovi strumenti, " ha detto Mukherjee. Con tentativi ed errori, quindi scaleranno ciò che funziona per le architetture di supercalcolo radicalmente diverse all'orizzonte.

Gli strumenti sviluppati dal team di Brookhaven alla fine andranno a beneficio delle strutture di ricerca nucleare in tutto il complesso DOE, e potenzialmente anche altri campi della scienza.