Depuis les années 1930, les scientifiques ont utilisé des accélérateurs de particules pour mieux comprendre la structure de la matière et les lois de la physique qui régissent notre monde. Ces accélérateurs font partie des outils expérimentaux les plus puissants disponibles, propulser les particules à presque la vitesse de la lumière, puis les faire entrer en collision pour permettre aux physiciens d'étudier les interactions résultantes et les particules qui se forment.

Bon nombre des plus grands accélérateurs de particules visent à fournir une compréhension des hadrons, des particules subatomiques telles que des protons ou des neutrons qui sont composées de deux ou plusieurs particules appelées quarks. Les quarks sont parmi les plus petites particules de l'univers, et ils ne portent que des charges électriques fractionnaires. Les scientifiques ont une bonne idée de la façon dont les quarks composent les hadrons, mais les propriétés des quarks individuels ont été difficiles à déterminer car ils ne peuvent être observés en dehors de leurs hadrons respectifs.

À l'aide du superordinateur Summit hébergé au laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie, une équipe de physiciens nucléaires dirigée par Kostas Orginos au Thomas Jefferson National Accelerator Facility et William &Mary a développé une méthode prometteuse pour mesurer les interactions des quarks dans les hadrons et a appliqué cette méthode à des simulations utilisant des quarks avec des masses proches de la physique. Pour compléter les simulations, l'équipe a utilisé une puissante technique de calcul appelée chromodynamique quantique sur réseau, ou LQCD, couplé à la puissance de calcul de Summit, le supercalculateur le plus rapide du pays. Les résultats ont été publiés dans Lettres d'examen physique .

"Typiquement, les scientifiques ne connaissent qu'une fraction de l'énergie et de la quantité de mouvement des quarks lorsqu'ils sont dans un proton, " a déclaré Joe Karpie, chercheur postdoctoral à l'Université Columbia et auteur principal de l'article. "Cela ne leur dit pas la probabilité qu'un quark puisse se transformer en un autre type de quark ou de particule. Alors que les calculs antérieurs reposaient sur des masses artificiellement grandes pour aider à accélérer les calculs, nous avons maintenant pu les simuler à très près de la masse physique, et nous pouvons appliquer ces connaissances théoriques aux données expérimentales pour faire de meilleures prédictions sur la matière subatomique. »

Les calculs de l'équipe viendront compléter les expériences réalisées sur le prochain collisionneur électron-ion du DOE, ou EIC, un collisionneur de particules qui sera construit au Brookhaven National Laboratory, ou BNL, qui fournira des cartes spatiales et dynamiques détaillées en 3D de la distribution des particules subatomiques à l'intérieur du proton.

Comprendre les propriétés des quarks individuels pourrait aider les scientifiques à prédire ce qui se passera lorsque les quarks interagissent avec le boson de Higgs, une particule élémentaire associée au champ de Higgs, un domaine de la théorie de la physique des particules qui donne une masse à la matière qui interagit avec elle. La méthode pourrait également être utilisée pour aider les scientifiques à comprendre les phénomènes régis par la force faible, qui est responsable de la décroissance radioactive.

Des simulations aux plus petites échelles

Pour brosser un tableau précis du fonctionnement des quarks, les scientifiques doivent généralement faire la moyenne des propriétés des quarks à l'intérieur de leurs protons respectifs. En utilisant les résultats d'expériences de collisionneur comme celles du collisionneur d'ions lourds relativistes au BNL, le Grand collisionneur de hadrons au CERN ou le prochain EIC du DOE, ils peuvent extraire une fraction de l'énergie et de la quantité de mouvement d'un quark.

Mais prédire combien les quarks interagissent avec des particules telles que le boson de Higgs et calculer la distribution complète des énergies et des impulsions des quarks sont restés des défis de longue date en physique des particules.

Bálint Joó a récemment rejoint l'équipe du laboratoire Oak Ridge Leadership Computing Facility, une installation utilisateur du DOE Office of Science. Pour commencer à s'attaquer à ce problème, Joó s'est tourné vers la suite logicielle Chroma pour le QCD sur réseau et la bibliothèque QUDA de NVIDIA. Lattice QCD donne aux scientifiques la possibilité d'étudier les quarks et les gluons - les particules élémentaires ressemblant à de la colle qui maintiennent les quarks ensemble - sur un ordinateur en représentant l'espace-temps comme une grille ou un réseau sur lequel les champs de quarks et de gluons sont formulés. Utilisation de Chroma et QUDA (pour QCD sur CUDA), Joó a généré des instantanés du champ de force forte dans un cube d'espace-temps, pondérer les instantanés pour décrire ce que les quarks faisaient dans le vide. D'autres membres de l'équipe ont ensuite pris ces instantanés et simulé ce qui se produirait lorsque les quarks se déplaceraient dans le champ de force forte.

"Si vous déposez un quark dans ce champ, il se propagera de la même manière que la chute d'une charge électrique dans un champ électrique provoque la propagation de l'électricité à travers le champ, " dit Joo.

Avec une subvention de temps de calcul du programme Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment du DOE, ainsi que le soutien du programme Scientific Discovery through Advanced Computing et du Exacale Computing Project, l'équipe a pris les calculs du propagateur et les a combinés à l'aide de Summit pour générer des particules finales qu'ils pourraient ensuite utiliser pour extraire les résultats.

"Nous avons défini ce que l'on appelle les masses de quarks nus et le couplage quark-gluon dans nos simulations, " dit Joó. " Les masses réelles des quarks, qui découlent de ces valeurs nues, doivent être calculés à partir des simulations, par exemple, en comparant les valeurs de certaines particules calculées à leurs homologues du monde réel, qui sont connus expérimentalement.

En s'inspirant d'expériences physiques, l'équipe savait que les particules physiques les plus légères qu'ils simulaient, appelées mésons pi, ou pions - devrait avoir une masse d'environ 140 mégaélectrons-volts, ou MeV. Les calculs de l'équipe allaient de 358 MeV à 172 MeV, proche de la masse expérimentale des pions.

Les simulations nécessitaient la puissance de Summit en raison du nombre d'instantanés du vide que l'équipe devait générer et du nombre de propagateurs de quarks qui devaient être calculés sur eux. Pour faire une estimation des résultats à la masse physique du quark, les calculs devaient être effectués sur trois masses différentes de quarks et extrapolés à la masse physique. Au total, l'équipe a utilisé plus de 1, 000 instantanés sur trois masses de quarks différentes dans des cubes avec des réseaux allant de 323 à 643 points dans l'espace.

"Plus les masses des quarks dans la simulation sont proches de la réalité, plus la simulation est difficile, " dit Karpie. " Plus les quarks sont légers, plus il faut d'itérations dans nos solveurs, Par conséquent, atteindre les masses physiques des quarks a été un défi majeur en CDQ. »

Les avancées algorithmiques offrent de nouvelles opportunités

Joo, qui utilise le code Chroma sur les systèmes OLCF depuis 2007, a déclaré que les améliorations des algorithmes au fil des ans ont contribué à la possibilité d'exécuter des simulations à la masse physique.

"Les améliorations algorithmiques telles que les solveurs multigrilles et leurs implémentations dans des bibliothèques logicielles efficaces telles que QUDA, combiné avec du matériel qui peut les exécuter, ont rendu possible ce genre de simulations, " il a dit.

Bien que Chroma soit son code de pain et de beurre, Joó a déclaré que les progrès dans le développement de code continueront de fournir des opportunités pour cibler de nouveaux problèmes de défi en physique des particules.

"Malgré le fait d'avoir travaillé avec ce même code toutes ces années, de nouvelles choses se produisent encore sous le capot, " a-t-il dit. " Il y aura toujours de nouveaux défis parce qu'il y aura toujours de nouvelles machines, nouveaux GPU, et de nouvelles méthodes dont nous pourrons profiter."

Dans les études futures, l'équipe prévoit d'explorer les gluons ainsi que d'obtenir une image 3D complète du proton avec ses divers composants.