I fisici di tutto il mondo stanno aprendo il protone, all'interno del nucleo dell'atomo, per vedere cosa c'è dentro.

Il protone è un elemento fondamentale del nucleo atomico, e tra le altre cose è usato come sonda medica nella risonanza magnetica. Ha anche una ricca struttura interna composta da particelle subatomiche chiamate quark e gluoni, che legano insieme i quark.

Gli scienziati stanno conducendo un esperimento unico che coinvolge il più grande laboratorio di fisica delle particelle del mondo e il supercomputer universitario più veloce del mondo per vedere e comprendere il mondo dinamico all'interno del protone.

Circa 240 fisici in 12 paesi e 24 istituzioni collaborano all'esperimento COMPASS, abbreviazione di Common Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy, al CERN, l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare. Esplorano la struttura del protone lì rompendola in collisioni di particelle usando fasci di particelle del Super Proton Synchrotron del CERN North Area e un bersaglio fisso con spin polarizzato.

Le parti interne frantumate del protone sono invisibili ad occhio nudo e richiedono grandi rivelatori, che registrano e digitalizzano le informazioni sulla particella e le memorizzano in uno speciale formato di dati. Per interpretare i dati, i fisici lo elaborano utilizzando algoritmi complessi.

"Il modello spaziale e le velocità delle particelle in frammentazione ci consentono di creare un'immagine dinamica del protone e di altri oggetti composti da quark, " ha detto Caroline Riedl, un professore assistente di ricerca di fisica nucleare presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign (UIUC). Con il suo gruppo UIUC, Riedl è coinvolto nel programma Drell-Yan polarizzato COMPASS ed è stato il coordinatore tecnico di COMPASS per la corsa del 2018.

Il suo team ha precedentemente utilizzato il supercomputer Blue Waters presso il National Center for Supercomputing Applications per elaborare i molti petabyte di dati COMPASS. Sta estendendo la sua ricerca sul sistema Frontera presso il Texas Advanced Computing Center (TACC), il quinto supercomputer universitario più potente e veloce del mondo.

Frontera rafforzerà l'analisi dei dati COMPASS esistenti presi tra il 2015 e il 2018. Analizzando i dati COMPASS raccolti tra il 2015 e il 2018, il suo team, insieme ai colleghi COMPASS che collaborano, è stato in grado di confermare per la prima volta il cambiamento di segno teoricamente previsto della funzione di Sivers nello scattering Drell-Yan rispetto allo scattering anelastico profondo.

Questa cosiddetta distribuzione di Sivers TMD ("Transverse-Momentum Dependent") deriva dalle correlazioni tra spin del protone e momento trasversale del quark e sembra quindi collegata al movimento orbitale del quark all'interno del protone. L'osservazione del cambiamento di segno del TMD di Sivers è una delle poche pietre miliari delle prestazioni dell'NSAC (Nuclear Science Advisory Committee) per la ricerca finanziata da DOE e NSF in fisica nucleare.

L'esperimento COMPASS spara un fascio di pioni (particelle fatte di quark) su un bersaglio fisso. Le conseguenze sono raccontate da 240 piani di tracciamento che seguono il percorso delle particelle subatomiche rilasciate. È qui che le sfide computazionali si fanno pesanti.

"La procedura per trovare tracce di particelle che emergono dal punto di interazione e che attraversano centinaia di strati di rilevatori COMPASS richiede molta CPU, " ha detto Riedl. La procedura di tracciamento è uno dei primi passi nell'analisi dei dati. Un'attività aggiuntiva altamente costosa per la CPU è il campionamento di circa il due percento dei dati per determinare l'efficienza dei piani di rilevamento, secondo Riedl.

Fornire i dati in modo tempestivo per l'analisi fisica rappresenta un ostacolo.

"La sfida consiste nel parallelizzare gli invii del codice di tracciamento sulla griglia di calcolo rispettando il sistema in termini di I/O e numero di nodi di calcolo richiesti. Una tipica campagna di produzione richiede circa 50, 000, idealmente parallelo, invio del codice di monitoraggio, " ha detto Riedl.

Tutto sommato, circa tre petabyte di dati COMPASS sono stati spostati da Blue Waters al sistema di gestione dello storage Ranch di TACC, che ne consente l'analisi su Frontera.

Oltre ad analizzare i dati COMPASS passati, il suo team sta usando Frontera per progettare nuovi rivelatori per il futuro esperimento COMPASS++/AMBER. Questa nuova struttura presso la linea di fascio M2 del Super Proton Synchrotron del CERN consentirà una grande varietà di misurazioni per affrontare questioni fondamentali della cromodinamica quantistica.

Il programma proposto copre le misurazioni del raggio di carica del protone utilizzando fasci di muoni, particelle elementari simili all'elettrone ma con massa molto maggiore; la spettroscopia di mesoni e barioni utilizzando fasci di mesoni dedicati; lo studio della struttura mesonica e barionica tramite il processo Drell-Yan; e infine la ricerca fondamentale sull'emergere della massa adronica.

Riedl è guidato da domande fondamentali al cuore del protone. Come si muovono i quark all'interno del protone, e qual è il loro moto orbitale? Come sono distribuiti i quark nel protone? E in che modo quark e gluoni generano le grandi masse nucleari osservate?

A quest'ultima domanda si accederà dal futuro esperimento COMPASS++/AMBER al CERN, secondo Riedl.

"Eseguiamo produzioni di massa di dati COMPASS su Frontera, determinare l'efficienza del rivelatore, e simulare dati COMPASS e COMPASS++/AMBER. I dati simulati svolgono un ruolo centrale nella comprensione dei sottili effetti del rivelatore e integrano i dati sperimentali, " ha detto Riedl. "Frontera ci permetterà di analizzare i dati COMPASS in modo tempestivo e con la precisione necessaria per ottenere una normalizzazione assoluta dei dati con le più piccole incertezze possibili".

Riedl spera che una migliore analisi su Frontera consentirà ai ricercatori di raggiungere scoperte all'interno del protone più velocemente che mai.

"Solo Frontera consentirà le simulazioni dettagliate necessarie per ottimizzare gli aggiornamenti della strumentazione per il futuro esperimento COMPASS++/AMBER, " ha aggiunto. "Frontera è un sistema di supercalcolo all'avanguardia finanziato dalla National Science Foundation che consentirà ai ricercatori statunitensi di competere con i team di ricerca internazionali".

La ricerca di Riedl si inserisce nel quadro più ampio della comprensione della fisica nucleare e della cromodinamica quantistica, la teoria di campo della forza nucleare forte. Indaga questioni come come quark e gluoni formino i nuclei della materia, e come i protoni possono essere descritti in termini di funzioni di distribuzione dei partoni, "partoni" riferiti più in generale a quark e gluoni.

"La particolarità dei nostri esperimenti risiede nell'uso di fasci di particelle con spin polarizzato su bersagli fissi con spin polarizzato, " Ha detto Riedl. "Introducendo i momenti di quark trasverso, rotazione, e momenti angolari orbitali nel formalismo, la sottostruttura del protone diventa altrettanto ricca quanto la sottostruttura dell'atomo di idrogeno, che è stato descritto per la prima volta negli anni '30, " ha aggiunto. "Durante i primi decenni del 21° secolo, la struttura iperfine del protone si è spostata al centro dell'attenzione dei fisici dello spin".

La curiosità inesorabile guida il suo lavoro.

"Gli esseri umani sono e sono sempre stati curiosi di scoprire cosa tiene insieme il mondo al suo interno, " Ha detto Riedl. "Cerchiamo di svelare l'origine della massa di oggetti nella nostra vita quotidiana e di mappare la struttura dinamica dei quark del protone".