All'inizio del XX secolo, gli scienziati hanno scoperto che gli atomi erano composti da particelle più piccole. Hanno scoperto che all'interno di ogni atomo, gli elettroni caricati negativamente orbitano attorno a un nucleo formato da protoni carichi positivamente e particelle neutre chiamate neutroni. Questa scoperta ha portato alla ricerca sui nuclei atomici e sulle particelle subatomiche.

La comprensione delle strutture di queste particelle fornisce informazioni cruciali sulle forze che tengono insieme la materia e consente ai ricercatori di applicare questa conoscenza ad altri problemi scientifici. Sebbene gli elettroni siano stati relativamente semplici da studiare, protoni e neutroni si sono rivelati più impegnativi. I protoni sono usati nei trattamenti medici, esperimenti di dispersione, ed energia di fusione, ma gli scienziati nucleari hanno lottato per misurare con precisione la loro struttura sottostante, fino ad ora.

In un recente documento, un team guidato da Constantia Alexandrou presso l'Università di Cipro ha modellato la posizione di una delle particelle subatomiche all'interno di un protone, usando solo la teoria di base delle interazioni forti che tengono insieme la materia piuttosto che assumere che queste particelle agissero come avevano fatto negli esperimenti. I ricercatori hanno impiegato il supercomputer Cray XK7 Titan da 27 petaflop presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) e un metodo chiamato cromodinamica quantistica reticolare (QCD). La combinazione ha permesso loro di mappare le particelle subatomiche su una griglia e calcolare le interazioni con elevata accuratezza e precisione.

"Essere in grado di eseguire questi calcoli e quantificare con precisione le interazioni tra le particelle in un protone è essenziale per ottenere una migliore comprensione del protone e una migliore comprensione del reticolo QCD nel suo insieme, " ha detto Alexandrou. "Per esempio, se troviamo qualcosa di nuovo da questi tipi di calcoli che non viene mostrato nell'esperimento, potremmo aver bisogno di rivalutare i nostri concetti teorici. Sarebbe una scoperta significativa, Certo."

Solo un sistema di classe dirigente come Titan dell'OLCF è in grado di eseguire calcoli QCD così pesanti in un tempo pratico, ha detto la squadra. L'OLCF è una struttura per gli utenti dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) situata presso l'Oak Ridge National Laboratory del DOE.

"Titan era perfetto per noi grazie alla sua architettura ibrida, " ha detto Alexandrou. "Non saremmo riusciti a fare questo calcolo senza questo tipo di capacità."

L'impresa è significativa perché la modellazione della struttura del protone dal reticolo QCD fornirà importanti informazioni su come la materia è tenuta insieme su scala subatomica. Una comprensione più profonda della QCD potrebbe anche consentire ai ricercatori di esplorare la natura dell'universo primordiale o addirittura puntare verso una nuova fisica oltre la comprensione attuale.

Un atto che scompare

Durante una collisione di particelle ad alta energia, un elettrone si schianta contro un protone, scuotendo i componenti fondamentali del protone e poi rimbalzando. Il protone è composto da tre particelle elementari, chiamate quark, e dalle particelle gluoniche che agiscono come portatrici della "forza forte" che lega strettamente i quark come un sacco di biglie. I quark, o "partoni, " come furono originariamente chiamati nel 1969 dal fisico Richard Feynman:scambio di momento con l'elettrone nel punto di contatto.

Quando un quark viene "buttato fuori dal sacco, " accade qualcosa di interessante. Piuttosto che rivelarsi all'osservatore, il quark viene immediatamente accoppiato con un antiquark creato dal vuoto dello spazio, rendendo la particella incolore, nel senso che non può essere osservato. Scienziati, però, può utilizzare calcoli QCD reticolari per scoprire dove potrebbe essere il partone e da dove potrebbe provenire.

Lattice QCD consente di posizionare i quark sui punti della griglia e i gluoni sui collegamenti tra questi punti. Utilizzando metodi di campionamento statistico Monte Carlo, algoritmi avanzati, e grandi computer, gli scienziati possono campionare accuratamente il vuoto QCD, lo stato in cui la materia ha la minore quantità di energia. Il supercalcolo è essenziale per reticolare QCD perché più grande è la griglia e più vicini sono i punti della griglia, più accurate possono essere le simulazioni.

Utilizzando dati sperimentali, gli scienziati possono dedurre dove potrebbe essere un partone, ma calcolare la sua posizione da zero si rivela più difficile perché richiede enormi risorse di elaborazione ad alte prestazioni.

Il gruppo, in collaborazione con i ricercatori del Deutsches Elektronen-Synchrotron-Zeuthen e della Temple University, hanno utilizzato il QCD reticolare e un metodo sviluppato da Xiangdong Ji presso l'Università del Maryland e la Shanghai Jiao Tong University per identificare le probabili posizioni di un partone utilizzando solo il quadro teorico sottostante delle interazioni forti, una capacità che può aiutarli a capire più precisamente cosa sia dentro un protone.

"Studiare le proprietà dei protoni è difficile perché non puoi romperli e studiarli, "Alessandro ha detto, spiegando che la forza forte lega i quark così strettamente all'interno di un protone che gli scienziati devono studiare le interazioni interne per ottenere nuove intuizioni. "Qualsiasi sistema composito in natura, fino ad ora, potremmo rompere. Ma non possiamo mai, rompere mai il protone, quindi dobbiamo studiare le particelle al suo interno."

Guadagnare slancio con il supercalcolo

La complessità del problema ha significato che i ricercatori hanno dovuto eseguire una serie di passaggi per ottenere una risposta.

Il primo passo è stato quello di simulare accuratamente il vuoto QCD. Utilizzando il computer SuperMUC in Germania, il gruppo ha simulato i gluoni, quark, e antiquark in un vuoto pieno di particelle di energia negativa conosciute come il mare di Dirac. L'intero vuoto misurava circa 5 femtometri cubi (1 femtometro corrisponde a 10-15 metri). Per confronto, un femtometro è 300 miliardi di volte più piccolo della larghezza di un granello di sale.

Prossimo, Aurora Scapellato, un borsista Marie Sklodowska-Curie presso l'Università di Cipro, eseguì calcoli su Titano che mostrarono cosa succede a un protone quando un elettrone gli espelle energia. Il problema è ulteriormente complicato dal fatto che il protone deve avere una grande quantità di quantità di moto mentre viene misurato.

Il team ha utilizzato un codice chiamato QUDA o QCD su CUDA, una libreria per calcoli QCD reticolari su GPU, per eseguire migliaia di misurazioni in un'allocazione di 2 anni attraverso il programma Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment. Dieci anni fa, il numero di calcoli utilizzando architetture precedenti sarebbe stato limitato a circa un centinaio nello stesso lasso di tempo.

"È incredibile quanti altri calcoli siamo in grado di fare con Titano, " ha detto Alexandrou. "Abbiamo bisogno di ancora più calcoli prima di poter iniziare a fare simulazioni più accurate dell'esperimento. E l'obiettivo finale è scoprire qualcosa che ancora non sappiamo".

Il team ha eseguito simulazioni su reticoli più grandi e spera di portare il progetto al livello successivo con ancora più slancio. Una quantità maggiore di slancio fornirà una maggiore precisione, ma solo se c'è abbastanza calcolo per controllare adeguatamente gli errori. L'esecuzione di questo tipo di calcoli potrebbe fornire agli scienziati un quadro completo della struttura e delle interazioni del protone.

Il metodo ha anche il potenziale per essere applicato ad altre particelle.

"Infine, questi calcoli saranno utili per guidare gli sperimentali, " disse Alexandrou. "Se abbiamo informazioni dettagliate sul protone, possiamo dire agli sperimentali cosa misurare, cosa non misurare, dove guardare, e dove non guardare. E attraverso questo processo, potremmo persino scoprire qualcosa di completamente nuovo."