0 просмотров

Суперкомпьютеры помогают ученым изучать мельчайшие частицы во Вселенной

На этом изображении дейтрона показано связанное состояние протона красным цветом и нейтрона синим цветом. Предоставлено: Энди Спролс, ORNL/U.S. Департамент энергетики

С 1930-х годов ученые используют ускорители частиц, чтобы лучше понять структуру материи и законы физики, управляющие нашим миром. Эти ускорители являются одними из самых мощных доступных экспериментальных инструментов, разгоняющих частицы почти до скорости света, а затем сталкивающих их, что позволяет физикам изучать результирующие взаимодействия и образующиеся частицы.

Многие из крупнейших ускорителей частиц нацелены на то, чтобы дать представление об адронах — субатомных частицах, таких как протоны или нейтроны, которые состоят из двух или более частиц, называемых кварками.Кварки — одни из самых маленьких частиц во Вселенной, и они несут лишь дробные электрические заряды. У ученых есть хорошее представление о том, как кварки составляют адроны, но свойства отдельных кварков было трудно выявить, потому что их нельзя наблюдать вне соответствующих им адронов.

Используя суперкомпьютер Summit, расположенный в Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США, группа физиков-ядерщиков во главе с Костасом Оргиносом из Национального ускорительного комплекса Томаса Джефферсона и Уильямом и Мэри разработала многообещающий метод измерения взаимодействия кварков в адронах и применила его. метод моделирования с использованием кварков с массами, близкими к физическим. Для завершения моделирования команда использовала мощную вычислительную технику, называемую квантовой хромодинамикой решетки, или LQCD, в сочетании с вычислительной мощностью Summit, самого быстрого в стране суперкомпьютера. Результаты были опубликованы в Письма о физическом обзоре .

«Обычно ученым известна только часть энергии и импульса кварков, когда они находятся в протоне», — сказал Джо Карпи, научный сотрудник Колумбийского университета и ведущий автор статьи. «Это не говорит им о вероятности того, что кварк может превратиться в кварк или частицу другого типа. В то время как прошлые расчеты полагались на искусственно большие массы, чтобы ускорить расчеты, теперь мы смогли смоделировать их с массой, очень близкой к физической, и мы можем применить эти теоретические знания к экспериментальным данным, чтобы сделать более точные предсказания о субатомной материи».

Статья в тему:  Сколько планет во вселенной 2021

Расчеты команды дополнят эксперименты, проведенные на предстоящем электронно-ионном коллайдере Министерства энергетики, или EIC, коллайдере частиц, который будет построен в Брукхейвенской национальной лаборатории, или BNL, который предоставит подробные пространственные и импульсные трехмерные карты того, как субатомные частицы распределяются внутри протона. .

Понимание свойств отдельных кварков может помочь ученым предсказать, что произойдет, когда кварки взаимодействуют с бозоном Хиггса, элементарной частицей, связанной с полем Хиггса, полем в теории элементарных частиц, которое придает массу взаимодействующей с ним материи. Этот метод также можно использовать, чтобы помочь ученым понять явления, управляемые слабым взаимодействием, ответственным за радиоактивный распад.

Моделирование в самых маленьких масштабах

Чтобы нарисовать точную картину того, как работают кварки, ученые обычно должны усреднить свойства кварков внутри соответствующих им протонов. Используя результаты экспериментов на коллайдерах, таких как Релятивистский коллайдер тяжелых ионов в BNL, Большой адронный коллайдер в ЦЕРН или предстоящий EIC Министерства энергетики США, они могут извлечь часть энергии и импульса кварка.

Но предсказание того, сколько кварков взаимодействует с такими частицами, как бозон Хиггса, и расчет полного распределения энергий и импульсов кварков остаются давними проблемами в физике элементарных частиц.

Балинт Йоо недавно присоединился к сотрудникам лаборатории Oak Ridge Leadership Computing Facility, пользовательского центра Министерства энергетики США. Чтобы начать решать эту проблему, Йоо обратился к пакету программного обеспечения Chroma для решетчатой ​​QCD и библиотеке NVIDIA QUDA. Решетчатая КХД дает ученым возможность изучать кварки и глюоны — элементарные частицы, подобные клею, которые удерживают кварки вместе — на компьютере, представляя пространство-время в виде сетки или решетки, на которой формулируются поля кварков и глюонов. Используя Chroma и QUDA (для КХД на CUDA), Джо создал снимки поля сильного взаимодействия в кубе пространства-времени, взвесив снимки, чтобы описать, что кварки делают в вакууме. Затем другие члены команды сделали эти снимки и смоделировали, что произойдет, когда кварки будут двигаться через поле сильного взаимодействия.

Статья в тему:  Когда будет конкурс мисс вселенная 2014

«Если вы поместите кварк в это поле, он будет распространяться подобно тому, как если поместить электрический заряд в электрическое поле, электричество будет распространяться через поле», — сказал Йоо.

Благодаря предоставлению вычислительного времени в рамках программы DOE «Инновационное и новое вычислительное воздействие на теорию и эксперимент», а также при поддержке программы «Научные открытия с помощью продвинутых вычислений» и проекта «Экзафлопсные вычисления», команда взяла расчеты распространителя и объединила их с помощью Summit для создания конечные частицы, которые затем можно использовать для извлечения результатов.

«В наших симуляциях мы устанавливаем так называемые голые массы кварков и кварк-глюонную связь», — сказал Йоу. «Фактические массы кварков, которые возникают из этих голых значений, необходимо вычислять на основе моделирования — например, путем сравнения значений некоторых вычисленных частиц с их реальными аналогами, которые известны экспериментально».

Основываясь на физических экспериментах, команда знала, что самые легкие физические частицы, которые они моделировали, называемые пи-мезонами или пионами, должны иметь массу около 140 мегаэлектрон-вольт, или МэВ. Расчеты группы варьировались от 358 МэВ до 172 МэВ, что близко к экспериментальной массе пионов.

Моделирование потребовало мощности Summit из-за количества снимков вакуума, которые команда должна была создать, и количества пропагаторов кварков, которые нужно было рассчитать на их основе. Чтобы сделать оценку результатов при физической массе кварка, необходимо было провести расчеты при трех различных массах кварков и экстраполировать на физическую. Всего команда использовала более 1000 снимков трех разных масс кварков в кубах с решетками от 32 3 до 64 3 точек в пространстве.

Статья в тему:  Что принадлежит клавиатуре и вселенной

«Чем ближе массы кварков в симуляции к реальности, тем сложнее симуляция», — сказал Карпи.«Чем легче кварки, тем больше итераций требуется в наших решателях, поэтому получение физических масс кварков было серьезной проблемой в КХД».

Алгоритмические достижения открывают новые возможности

Джоо, который использует код Chroma в системах OLCF с 2007 года, сказал, что усовершенствования алгоритмов за эти годы способствовали возможности запуска симуляций на физической массе.

«Алгоритмические усовершенствования, такие как многосеточные решатели и их реализации в эффективных программных библиотеках, таких как QUDA, в сочетании с аппаратным обеспечением, которое может их выполнять, сделали возможным такое моделирование», — сказал он.

Хотя Chroma является его основным кодом, Йоу сказал, что прогресс в разработке кода будет по-прежнему предоставлять возможности для решения новых сложных задач в физике элементарных частиц.

«Несмотря на то, что я работал с одним и тем же кодом все эти годы, под капотом все еще происходят новые вещи», — сказал он. «Всегда будут новые проблемы, потому что всегда будут новые машины, новые графические процессоры и новые методы, которыми мы сможем воспользоваться».

В будущих исследованиях команда планирует изучить глюоны, а также получить полное трехмерное изображение протона с его различными компонентами.

Это исследование финансировалось Управлением науки Министерства энергетики США.

голоса
Рейтинг статьи
Статья в тему:  Сколько млечных путей во Вселенной
Ссылка на основную публикацию
0
Оставьте комментарий! Напишите, что думаете по поводу статьи.x
Adblock
detector