Dagli anni '30, gli scienziati hanno utilizzato gli acceleratori di particelle per ottenere informazioni sulla struttura della materia e sulle leggi della fisica che governano il nostro mondo. Questi acceleratori sono alcuni degli strumenti sperimentali più potenti disponibili, spingendo le particelle quasi alla velocità della luce e quindi facendole scontrare per consentire ai fisici di studiare le interazioni risultanti e le particelle che si formano.

Molti dei più grandi acceleratori di particelle mirano a fornire una comprensione degli adroni, particelle subatomiche come protoni o neutroni costituite da due o più particelle chiamate quark. I quark sono tra le particelle più piccole dell'universo, e trasportano solo cariche elettriche frazionarie. Gli scienziati hanno una buona idea di come i quark formano gli adroni, ma le proprietà dei singoli quark sono state difficili da scoprire perché non possono essere osservate al di fuori dei loro rispettivi adroni.

Utilizzando il supercomputer Summit ospitato presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia, un team di fisici nucleari guidati da Kostas Orginos presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility e William &Mary ha sviluppato un metodo promettente per misurare le interazioni dei quark negli adroni e ha applicato questo metodo alle simulazioni che utilizzano quark con masse vicine a quelle fisiche. Per completare le simulazioni, il team ha utilizzato una potente tecnica computazionale chiamata cromodinamica quantistica reticolare, o LQCD, insieme alla potenza di calcolo di Summit, il supercomputer più veloce della nazione. I risultati sono stati pubblicati in Lettere di revisione fisica .

"Tipicamente, gli scienziati hanno conosciuto solo una frazione dell'energia e della quantità di moto dei quark quando si trovano in un protone, " ha detto Joe Karpie, ricercatore postdottorato presso la Columbia University e autore principale del documento. "Questo non dice loro la probabilità che il quark possa trasformarsi in un diverso tipo di quark o particella. Mentre i calcoli passati si basavano su masse artificialmente grandi per accelerare i calcoli, ora siamo stati in grado di simulare questi a molto vicino alla massa fisica, e possiamo applicare questa conoscenza teorica ai dati sperimentali per fare previsioni migliori sulla materia subatomica".

I calcoli del team completeranno gli esperimenti eseguiti sul prossimo Electron-Ion Collider del DOE, o EIC, un collisore di particelle da costruire al Brookhaven National Laboratory, o BNL, che fornirà mappe 3D spaziali e di momento dettagliate di come le particelle subatomiche sono distribuite all'interno del protone.

Comprendere le proprietà dei singoli quark potrebbe aiutare gli scienziati a prevedere cosa accadrà quando i quark interagiscono con il bosone di Higgs, una particella elementare associata al campo di Higgs, un campo nella teoria della fisica delle particelle che dà massa alla materia che interagisce con essa. Il metodo potrebbe essere utilizzato anche per aiutare gli scienziati a comprendere i fenomeni governati dalla forza debole, che è responsabile del decadimento radioattivo.

Simulazioni alle scale più piccole

Per dipingere un quadro accurato di come funzionano i quark, gli scienziati in genere devono calcolare la media delle proprietà dei quark all'interno dei rispettivi protoni. Utilizzando i risultati di esperimenti con collisore come quelli del Relativistic Heavy Ion Collider presso BNL, il Large Hadron Collider al CERN o il prossimo EIC del DOE, possono estrarre una frazione dell'energia e della quantità di moto di un quark.

Ma prevedere quanto i quark interagiscono con particelle come il bosone di Higgs e calcolare la distribuzione completa delle energie e dei momenti dei quark sono rimaste sfide di vecchia data nella fisica delle particelle.

Bálint Joó si è recentemente unito allo staff dell'Oak Ridge Leadership Computing Facility del laboratorio, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. Per iniziare ad affrontare questo problema, Joó si è rivolto alla suite software Chroma per QCD reticolare e alla libreria QUDA di NVIDIA. Lattice QCD offre agli scienziati la possibilità di studiare quark e gluoni, le particelle elementari simili a colla che tengono insieme i quark, su un computer rappresentando lo spazio-tempo come una griglia o un reticolo su cui sono formulati i campi di quark e gluoni. Utilizzando Chroma e QUDA (per QCD su CUDA), Joó ha generato istantanee del campo di forza in un cubo di spazio-tempo, ponderando le istantanee per descrivere cosa stavano facendo i quark nel vuoto. Altri membri del team hanno poi scattato queste istantanee e simulato cosa sarebbe successo quando i quark si sarebbero mossi attraverso il campo di forza forte.

"Se fai cadere un quark in questo campo, si propagherà in modo simile a come far cadere una carica elettrica in un campo elettrico fa sì che l'elettricità si propaghi attraverso il campo, " disse Joò.

Con una concessione di tempo di calcolo dal programma Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment del DOE, così come il supporto del programma Scientific Discovery through Advanced Computing e dell'Exacale Computing Project, il team ha preso i calcoli del propagatore e li ha combinati utilizzando Summit per generare particelle finali che avrebbero poi potuto utilizzare per estrarre i risultati.

"Nelle nostre simulazioni impostiamo le cosiddette masse di quark nudo e l'accoppiamento quark-gluoni, " Joó ha detto. "Le masse reali di quark, che scaturiscono da questi nudi valori, devono essere calcolati dalle simulazioni, ad esempio confrontando i valori di alcune particelle calcolate con le loro controparti del mondo reale, che sono sperimentalmente noti."

Attingendo da esperimenti fisici, il team sapeva che stavano simulando le particelle fisiche più leggere, chiamate mesoni pi, o pioni:dovrebbero avere una massa di circa 140 megaelettronvolt, o MeV. I calcoli del team variavano da 358 MeV fino a 172 MeV, vicino alla massa sperimentale dei pioni.

Le simulazioni richiedevano la potenza di Summit a causa del numero di istantanee del vuoto che il team doveva generare e del numero di propagatori di quark che dovevano essere calcolati su di esse. Per fare una stima dei risultati alla massa fisica del quark, i calcoli dovevano essere eseguiti a tre diverse masse di quark ed estrapolati a quella fisica. In totale, la squadra ha utilizzato più di 1, 000 istantanee su tre diverse masse di quark in cubi con reticoli che vanno da 323 a 643 punti nello spazio.

"Più le masse dei quark nella simulazione sono vicine alla realtà, più difficile è la simulazione, " disse Karpie. "Più leggeri sono i quark, più iterazioni sono richieste nei nostri solutori, quindi arrivare alle masse fisiche di quark è stata una grande sfida nella QCD".

I progressi algoritmici portano nuove opportunità

Joo, che utilizza il codice Chroma sui sistemi OLCF dal 2007, ha affermato che i miglioramenti negli algoritmi nel corso degli anni hanno contribuito alla capacità di eseguire simulazioni alla massa fisica.

"Miglioramenti algoritmici come i risolutori multigrid e le loro implementazioni in librerie software efficienti come QUDA, combinato con hardware in grado di eseguirli, hanno reso possibile questo tipo di simulazioni, " Egli ha detto.

Sebbene Chroma sia il suo codice pane e burro, Joó ha affermato che i progressi nello sviluppo del codice continueranno a fornire opportunità per affrontare nuovi problemi di sfida nella fisica delle particelle.

"Nonostante abbia lavorato con lo stesso codice per tutti questi anni, cose nuove accadono ancora sotto il cofano, " ha detto. "Ci saranno sempre nuove sfide perché ci saranno sempre nuove macchine, nuove GPU, e nuovi metodi di cui saremo in grado di trarre vantaggio."

Negli studi futuri, il team prevede di esplorare i gluoni e di ottenere un'immagine 3D completa del protone con i suoi vari componenti.