Les physiciens du monde entier ouvrent le proton, dans le noyau de l'atome, pour voir ce qu'il y a dedans.

Le proton est un élément fondamental du noyau atomique, et entre autres, il est utilisé comme sonde médicale en imagerie par résonance magnétique. Il possède également une riche structure interne composée de particules subatomiques appelées quarks et gluons, qui lient les quarks entre eux.

Les scientifiques mènent une expérience unique impliquant le plus grand laboratoire de physique des particules au monde et le superordinateur universitaire le plus rapide au monde pour voir et comprendre le monde dynamique à l'intérieur du proton.

Environ 240 physiciens de 12 pays et 24 institutions collaborent à l'expérience COMPASS (abréviation de Common Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy) au CERN, l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire. Ils y explorent la structure du proton en la brisant dans des collisions de particules à l'aide des faisceaux de particules du super synchrotron à protons de la zone Nord du CERN et d'une cible fixe polarisée en spin.

L'intérieur brisé du proton est invisible à l'œil nu et nécessite de gros détecteurs, qui enregistrent et numérisent les informations sur la particule et les stockent dans un format de données spécial. Pour interpréter les données, les physiciens le traitent à l'aide d'algorithmes complexes.

"Le modèle spatial et les vitesses des particules de fragmentation nous permettent de créer une image dynamique du proton et d'autres objets composés de quarks, " a déclaré Caroline Riedl, professeur assistant de recherche en physique nucléaire à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign (UIUC). Avec son groupe UIUC, Riedl est impliqué dans le programme polarisé Drell-Yan COMPASS et était le coordinateur technique COMPASS pour la course 2018.

Son équipe utilisait auparavant le supercalculateur Blue Waters du National Center for Supercomputing Applications pour traiter les nombreux pétaoctets de données COMPASS. Elle étend ses recherches sur le système Frontera au Texas Advanced Computing Center (TACC), le cinquième supercalculateur universitaire le plus puissant et le plus rapide au monde.

Frontera renforcera l'analyse des données COMPASS existantes prises entre 2015 et 2018. Analyse des données COMPASS collectées entre 2015 et 2018, son équipe et les collègues collaborateurs de COMPASS ont pu confirmer pour la première fois le changement de signe théoriquement attendu de la fonction Sivers dans la diffusion Drell-Yan par rapport à la diffusion profondément inélastique.

Cette distribution dite de Sivers TMD (« Transverse-Momentum Dependent ») résulte de corrélations entre le spin du proton et le moment transversal du quark et apparaît donc liée au mouvement orbital des quarks à l'intérieur du proton. L'observation du changement de signe du Sivers TMD est l'un des rares jalons de performance du NSAC (Nuclear Science Advisory Committee) pour la recherche financée par le DOE et la NSF en physique nucléaire.

L'expérience COMPASS projette un faisceau de pions (particules constituées de quarks) sur une cible fixe. Les conséquences sont relatées par 240 plans de suivi qui suivent le chemin des particules subatomiques libérées. C'est ici que les défis de calcul deviennent lourds.

"La procédure de recherche de traces de particules émergeant du point d'interaction et traversant des centaines de couches de détecteurs COMPASS est gourmande en CPU, " a déclaré Riedl. La procédure de suivi est l'une des premières étapes de l'analyse des données. Une tâche supplémentaire très coûteuse en CPU est l'échantillonnage d'environ deux pour cent des données pour déterminer l'efficacité des plans de détection, selon Riedl.

Fournir les données en temps opportun pour l'analyse physique présente un obstacle.

« L'enjeu consiste à paralléliser les soumissions du code de suivi sur la grille de calcul tout en respectant le système en termes d'E/S et de nombres de nœuds de calcul demandés. Une campagne de production type nécessite environ 50, 000, idéalement parallèle, soumissions du code de suivi, " dit Riedl.

En tout, environ trois pétaoctets de données COMPASS ont été transférés de Blue Waters vers le système de gestion de stockage Ranch de TACC, ce qui permet de l'analyser sur Frontera.

En plus d'analyser les données COMPASS passées, son équipe utilise Frontera pour concevoir de nouveaux détecteurs pour la future expérience COMPASS++ /AMBER. Cette nouvelle installation sur la ligne de faisceau M2 du super synchrotron à protons du CERN permettra une grande variété de mesures pour aborder les problèmes fondamentaux de la chromodynamique quantique.

Le programme proposé couvre les mesures du rayon de charge du proton à l'aide de faisceaux de muons, particules élémentaires semblables à l'électron mais avec une masse beaucoup plus grande; la spectroscopie des mésons et des baryons en utilisant des faisceaux de mésons dédiés; l'étude de la structure des mésons et des baryons via le procédé Drell-Yan; et finalement la quête fondamentale sur l'émergence de la masse hadronique.

Riedl est animé par des questions fondamentales au cœur du proton. Comment les quarks se déplacent-ils à l'intérieur du proton, et quel est leur mouvement orbital ? Comment se répartissent les quarks dans le proton ? Et comment les quarks et les gluons génèrent-ils les grandes masses nucléaires observées ?

Cette dernière question sera accessible par la future expérience COMPASS++/AMBER au CERN, selon Riedl.

"Nous réalisons des productions de masse de données COMPASS sur Frontera, déterminer l'efficacité des détecteurs, et simuler les données COMPASS et COMPASS++/AMBER. Les données simulées jouent un rôle central dans la compréhension des effets subtils des détecteurs et complètent les données expérimentales, " a déclaré Riedl. " Frontera nous permettra d'analyser les données COMPASS en temps opportun et avec la précision requise pour obtenir une normalisation absolue des données avec les plus petites incertitudes possibles. "

Riedl espère qu'une analyse améliorée sur Frontera permettra aux chercheurs d'atteindre des découvertes à l'intérieur du proton plus rapidement que jamais.

"Seule Frontera permettra les simulations détaillées nécessaires pour optimiser les mises à niveau de l'instrumentation pour la future expérience COMPASS++/AMBER, ", a-t-elle ajouté. " Frontera est un système de calcul intensif de pointe financé par la National Science Foundation qui permettra aux chercheurs américains de rivaliser avec les équipes de recherche internationales. "

La recherche de Riedl s'inscrit dans le cadre plus large de la compréhension de la physique nucléaire et de la chromodynamique quantique, la théorie des champs de la force nucléaire forte. Elle étudie des questions telles que la façon dont les quarks et les gluons forment les noyaux de la matière, et comment les protons peuvent être décrits en termes de fonctions de distribution de Parton, "partons" désignant plus généralement les quarks et les gluons.

"La particularité de nos expériences réside dans l'utilisation de faisceaux de particules polarisées en spin sur des cibles fixes polarisées en spin, " dit Riedl. " En introduisant des impulsions de quark transverses, tournoyer, et les moments angulaires orbitaux dans le formalisme, la sous-structure du proton devient aussi riche que la sous-structure de l'atome d'hydrogène, qui a été décrit pour la première fois dans les années 1930, " a-t-elle ajouté. " Au cours des premières décennies du 21e siècle, La structure hyperfine du proton est devenue l'objectif des physiciens du spin."

Une curiosité implacable anime son travail.

"Les humains sont et ont toujours été curieux de découvrir ce qui maintient le monde ensemble en son cœur, " a déclaré Riedl. "Nous essayons de démêler l'origine de la masse d'objets dans notre vie quotidienne et de cartographier la structure dynamique des quarks du proton."