Les physiciens nucléaires sont connus pour leurs explorations atomiques des éléments constitutifs de la matière visible. Au collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC), un collisionneur de particules au laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), et le Grand collisionneur de hadrons (LHC) au laboratoire européen du CERN, ils dirigent les noyaux atomiques dans des collisions frontales pour en apprendre davantage sur les interactions subtiles des quarks et des gluons à l'intérieur.

Pour bien comprendre ce qui se passe dans ces smashups de particules et comment les quarks et les gluons forment la structure de tout ce que nous voyons dans l'univers aujourd'hui, les scientifiques ont également besoin d'outils informatiques sophistiqués, de logiciels et d'algorithmes pour suivre et analyser les données et effectuer les calculs complexes qui modélisent ce qu'ils s'attendent à trouver.

Maintenant, avec le financement de l'Office of Nuclear Physics du DOE et de l'Office of Advanced Scientific Computing Research de l'Office of Science, les physiciens nucléaires et les informaticiens du Brookhaven Lab contribueront à développer la prochaine génération d'outils informatiques pour faire avancer le domaine. Leurs systèmes de gestion de logiciels et de flux de travail seront conçus pour exploiter les architectures diverses et en constante évolution des installations informatiques de leadership du DOE, certains des superordinateurs les plus puissants et les réseaux de partage de données les plus rapides au monde. Le Brookhaven Lab recevra environ 2,5 millions de dollars au cours des cinq prochaines années pour soutenir cet effort visant à permettre la recherche en physique nucléaire au RHIC (une installation du DOE Office of Science User Facility) et au LHC.

Le "hub" de Brookhaven sera l'un des trois financés par le programme de découverte scientifique par le biais de l'informatique avancée du DOE pour 2017 (également connu sous le nom de SciDAC4) dans le cadre d'une proposition dirigée par le Thomas Jefferson National Accelerator Facility du DOE. L'objectif global de ces projets est d'améliorer les futurs calculs de la chromodynamique quantique (QCD), la théorie qui décrit les quarks et les gluons et leurs interactions.

"Nous ne pouvons pas simplement faire ces calculs sur un ordinateur portable, " a déclaré le théoricien nucléaire Swagato Mukherjee, qui dirigera l'équipe de Brookhaven. "Nous avons besoin de superordinateurs et d'algorithmes et de techniques spéciaux pour rendre les calculs accessibles dans un délai raisonnable."

Les scientifiques effectuent des calculs QCD en représentant les positions et interactions possibles des quarks et des gluons sous forme de points sur un réseau imaginaire d'espace-temps 4-D. De tels calculs de « QCD sur réseau » impliquent des milliards de variables. Et la complexité des calculs augmente à mesure que les questions auxquelles les scientifiques cherchent à répondre nécessitent des simulations des interactions des quarks et des gluons à des échelles de plus en plus petites.

Par exemple, une expérience améliorée proposée au RHIC connue sous le nom de sPHENIX vise à suivre les interactions de quarks plus massifs avec le plasma quark-gluon créé lors de collisions d'ions lourds. Ces études aideront les scientifiques à sonder le comportement du plasma quark-gluon de type liquide à des échelles de longueur plus courtes.

"Si vous voulez sonder des choses à des échelles de distance plus courtes, vous devez réduire l'espacement entre les points sur le réseau. Mais la taille globale du réseau est la même, donc il y a plus de points, plus serrés, " a déclaré Mukherjee.

De la même manière, lorsqu'ils explorent les interactions quark-gluon dans la partie la plus dense du "diagramme de phase" - une carte de la façon dont les quarks et les gluons existent dans différentes conditions de température et de pression - les scientifiques recherchent des changements subtils qui pourraient indiquer l'existence d'un "point critique , " un changement soudain dans la façon dont la matière nucléaire change de phase. Les physiciens du RHIC ont un plan pour effectuer des collisions à une gamme d'énergies - un balayage d'énergie de faisceau - pour rechercher ce point critique QCD.

"Pour trouver un point critique, vous devez sonder une augmentation des fluctuations, ce qui nécessite des configurations plus différentes des quarks et des gluons. Cette complexité rend les calculs des ordres de grandeur plus difficiles, " a déclaré Mukherjee.

Heureusement, il y a une nouvelle génération de supercalculateurs à l'horizon, offrant des améliorations à la fois de la vitesse et de la façon dont le traitement est effectué. Mais pour utiliser au maximum ces nouvelles capacités, les logiciels et autres outils de calcul doivent également évoluer.

"Notre objectif est de développer les outils et les méthodes d'analyse pour permettre à la prochaine génération de supercalculateurs d'aider à trier et à donner un sens aux données QCD chaudes, " a déclaré Mukherjee.

L'un des principaux défis consistera à développer des outils pouvant être utilisés dans une gamme de nouvelles architectures de calcul intensif, qui sont également encore en cours de développement.

"Personne n'a actuellement une idée de la façon dont ils fonctionneront, mais on sait qu'ils auront des architectures très hétérogènes, " a déclaré le physicien de Brookhaven Sergey Panitkin. " Nous devons donc développer des systèmes pour fonctionner sur différents types de supercalculateurs. Nous voulons tirer chaque once de performance des superordinateurs les plus récents, et nous voulons le faire dans un endroit centralisé, avec une entrée et une interaction transparente pour les utilisateurs, " il a dit.

L'effort s'appuiera sur l'expérience acquise en développant des outils de gestion de flux de travail pour alimenter les données de physique des hautes énergies de l'expérience ATLAS du LHC dans des poches de temps inutilisé sur les supercalculateurs du DOE. "C'est un bel exemple de synergie entre la physique des hautes énergies et la physique nucléaire pour rendre les choses plus efficaces, " a déclaré Panitkine.

L'un des principaux objectifs sera de concevoir des outils « tolérants aux pannes », capables de rediriger ou de soumettre à nouveau automatiquement les travaux à toutes les ressources informatiques disponibles sans que les utilisateurs du système aient à se soucier de faire ces demandes. "L'idée est de libérer les physiciens pour qu'ils réfléchissent à la physique, " a déclaré Panitkine.

Mukherjee, Panitkine, et d'autres membres de l'équipe de Brookhaven collaboreront avec des scientifiques de la Computational Science Initiative de Brookhaven et testeront leurs idées sur des ressources internes de superinformatique. Les machines locales partagent des caractéristiques architecturales avec des supercalculateurs de classe dirigeante, quoique à plus petite échelle.

"Nos systèmes à petite échelle sont en fait meilleurs pour essayer nos nouveaux outils, " a déclaré Mukherjee. Avec essais et erreurs, ils vont ensuite mettre à l'échelle ce qui fonctionne pour les architectures de supercalcul radicalement différentes à l'horizon.

Les outils développés par l'équipe de Brookhaven profiteront à terme aux installations de recherche nucléaire du complexe du DOE, et potentiellement d'autres domaines scientifiques.