Au tournant du 20e siècle, les scientifiques ont découvert que les atomes étaient composés de particules plus petites. Ils ont découvert qu'à l'intérieur de chaque atome, des électrons chargés négativement orbitent autour d'un noyau composé de protons chargés positivement et de particules neutres appelées neutrons. Cette découverte a conduit à des recherches sur les noyaux atomiques et les particules subatomiques.

Une compréhension des structures de ces particules fournit des informations cruciales sur les forces qui maintiennent la matière ensemble et permet aux chercheurs d'appliquer ces connaissances à d'autres problèmes scientifiques. Bien que les électrons aient été relativement simples à étudier, les protons et les neutrons se sont avérés plus difficiles. Les protons sont utilisés dans les traitements médicaux, expériences de diffusion, et l'énergie de fusion, mais les scientifiques nucléaires ont eu du mal à mesurer avec précision leur structure sous-jacente, jusqu'à présent.

Dans un article récent, une équipe dirigée par Constantia Alexandrou à l'Université de Chypre a modélisé l'emplacement de l'une des particules subatomiques à l'intérieur d'un proton, en utilisant uniquement la théorie de base des interactions fortes qui maintiennent la matière ensemble plutôt que de supposer que ces particules agiraient comme elles l'avaient fait dans les expériences. Les chercheurs ont utilisé le supercalculateur Cray XK7 Titan de 27 pétaflops à l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) et une méthode appelée chromodynamique quantique sur réseau (QCD). La combinaison leur a permis de cartographier les particules subatomiques sur une grille et de calculer les interactions avec une grande précision et précision.

"Être capable d'effectuer ces calculs et de quantifier précisément les interactions entre les particules d'un proton est essentiel pour mieux comprendre le proton et mieux comprendre la QCD sur réseau dans son ensemble, " dit Alexandrou. " Par exemple, si nous trouvons quelque chose de nouveau à partir de ces types de calculs qui n'est pas montré dans l'expérience, nous pourrions avoir besoin de réévaluer nos concepts théoriques. Ce serait une découverte importante, bien sûr."

Seul un système de classe dirigeante tel que le Titan de l'OLCF est capable d'exécuter des calculs QCD aussi lourds dans un laps de temps pratique, dit l'équipe. L'OLCF est une installation d'utilisateurs du bureau des sciences du département américain de l'Énergie (DOE) située au laboratoire national d'Oak Ridge du DOE.

"Titan était parfait pour nous en raison de son architecture hybride, " a déclaré Alexandrou. " Nous n'aurions pas réussi à faire ce calcul sans ce genre de capacité. "

L'exploit est important car la modélisation de la structure du proton à partir de la QCD sur réseau fournira des informations importantes sur la façon dont la matière est maintenue ensemble à l'échelle subatomique. Une compréhension plus approfondie de la CDQ pourrait également permettre aux chercheurs d'explorer la nature de l'univers primitif ou même de pointer vers une nouvelle physique au-delà de la compréhension actuelle.

Un acte en voie de disparition

Lors d'une collision de particules de haute énergie, un électron percute un proton, secouant les composants fondamentaux du proton puis rebondissant. Le proton est composé de trois particules élémentaires, appelées quarks, ainsi que des particules de gluons qui agissent comme porteurs de la « force forte » qui lie étroitement les quarks entre eux comme un sac de billes. Les quarks ou "partons, " comme ils ont été appelés à l'origine en 1969 par le physicien Richard Feynman - échangent de la quantité de mouvement avec l'électron au point de contact.

Lorsqu'un quark est "éjecté du sac, " il se passe quelque chose d'intéressant. Plutôt que de se révéler à l'observateur, le quark est immédiatement associé à un antiquark créé à partir du vide de l'espace, rendre la particule incolore, ce qui signifie qu'il ne peut pas être observé. Scientifiques, cependant, peut utiliser des calculs QCD sur réseau pour savoir où se trouve le parton et d'où il peut provenir.

Lattice QCD permet de positionner les quarks sur les points de la grille et les gluons d'être positionnés sur les liens entre ces points. En utilisant les méthodes d'échantillonnage statistique de Monte Carlo, algorithmes avancés, et gros ordinateurs, les scientifiques peuvent échantillonner avec précision le vide QCD, l'état dans lequel la matière a la plus faible quantité d'énergie. Le calcul intensif est essentiel pour la QCD sur réseau car plus la grille est grande et plus les points de grille sont rapprochés, plus les simulations peuvent être précises.

En utilisant des données expérimentales, les scientifiques peuvent déduire où un parton pourrait être, mais calculer son emplacement à partir de zéro s'avère plus difficile car il nécessite des ressources de calcul massives et performantes.

L'équipe, en collaboration avec des chercheurs de Deutsches Elektronen-Synchrotron-Zeuthen et Temple University, ont utilisé la QCD sur réseau et une méthode développée par Xiangdong Ji à l'Université du Maryland et à l'Université Jiao Tong de Shanghai pour identifier les emplacements probables d'un parton en utilisant uniquement le cadre théorique sous-jacent des interactions fortes - une capacité qui peut les aider à comprendre plus précisément ce qui est à l'intérieur d'un proton.

"Étudier les propriétés des protons est difficile parce qu'on ne peut pas les décomposer et les étudier, " Alexandrou dit, expliquant que la force forte lie les quarks si étroitement dans un proton que les scientifiques doivent étudier les interactions intérieures pour acquérir de nouvelles connaissances. "Tout système composite dans la nature, jusqu'à maintenant, nous pourrions casser. Mais on ne peut jamais, jamais casser le proton, nous devons donc étudier les particules à l'intérieur."

Prendre de l'ampleur avec le calcul intensif

La complexité du problème signifiait que les chercheurs devaient effectuer un certain nombre d'étapes pour parvenir à une réponse.

La première étape consistait à simuler avec précision le vide QCD. En utilisant l'ordinateur SuperMUC en Allemagne, le groupe a simulé les gluons, quarks, et des antiquarks dans un vide rempli de particules d'énergie négative connues sous le nom de mer de Dirac. Le vide total mesurait environ 5 femtomètres cubes (1 femtomètre correspond à 10-15 mètres). En comparaison, un femtomètre est 300 milliards de fois plus petit que la largeur d'un grain de sel.

Prochain, Aurore Scapellato, une boursière Marie Sklodowska-Curie à l'Université de Chypre, a effectué des calculs sur Titan qui ont montré ce qui arrive à un proton lorsqu'un électron lui éjecte de l'énergie. Le problème est en outre compliqué par le fait que le proton doit avoir une grande quantité de quantité de mouvement pendant qu'il est mesuré.

L'équipe a utilisé un code appelé QUDA—ou QCD sur CUDA, une bibliothèque pour les calculs QCD sur réseau sur GPU, pour effectuer des milliers de mesures sur une période de 2 ans via le programme Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment. Il y a dix ans, le nombre de calculs utilisant les architectures antérieures aurait été limité à une centaine dans le même laps de temps.

"C'est incroyable le nombre de calculs supplémentaires que nous sommes capables de faire avec Titan, " a déclaré Alexandrou. "Nous avons besoin d'encore plus de calculs avant de pouvoir commencer à faire des simulations qui sont plus précises que l'expérience. Et le but ultime est de découvrir quelque chose que nous ne savons pas encore."

L'équipe a effectué des simulations sur des réseaux plus grands et espère faire passer le projet au niveau supérieur avec encore plus d'élan. Une plus grande quantité de quantité de mouvement fournira plus de précision, mais seulement s'il y a suffisamment de calculs pour contrôler correctement les erreurs. Effectuer ce type de calculs pourrait donner aux scientifiques une image complète de la structure et des interactions du proton.

La méthode a également le potentiel d'être appliquée à d'autres particules.

"Finalement, ces calculs vont être utiles pour guider les expérimentateurs, " dit Alexandrou. " Si nous avons des informations détaillées sur le proton, nous pouvons dire aux expérimentateurs quoi mesurer, quoi ne pas mesurer, où regarder, et où ne pas regarder. Et à travers ce processus, nous pouvons même découvrir quelque chose de complètement nouveau."