超级计算机援助科学家研究夸克，宇宙中最小的颗粒

氘的这种形象显示了质子，红色和中子的绑定状态，蓝色。

自20世纪30年代以来，科学家们一直在利用粒子加速器，以获得对管理我们世界的物质结构和物理法则的见解。这些加速器是一些可用的一些最强大的实验工具，推动颗粒几乎光速，然后碰撞它们以允许物理学家研究所得相互作用和形成的颗粒。

许多最大的粒子加速器的目的是了解对诸如由称为夸克的两种或更多种颗粒构成的质子或中子的托强子颗粒。夸克是宇宙中最小的颗粒中，它们只带分数电荷。科学家们对夸克弥补了夸克的好主意，但史诗夸克的性质难以戏弄，因为他们不能在各自的强奸之外观察到。

使用位于能源部橡树岭国家实验室的峰会超级计算机，由Kostas Orginos在Thomas Jefferson国家加速设施和威廉＆玛丽领先的核物理学团队制定了一个有希望的测量HADRONs Quark互动的方法，并应用了这一点使用具有近距物质群众的夸克模拟的方法。为了完成模拟，该团队使用了一种强大的计算技术，称为晶格量子色动力学，或LQCD，与峰会的计算能力相结合，该技术最快的超级计算机。结果在物理审查信中发表。

“通常，科学家们在普罗旺尼亚州大学博士后研究科学家Joe Karpie说，科学家们只知道夸克的能量和势头的一小部分，”哥伦比亚大学的博士后研究科学家和纸上的领导作者。“这并没有告诉他们夸克可以变成不同类型的夸克或粒子的概率。虽然过去的计算依赖于人工大量群众来帮助加速计算，但我们现在已经能够在非常接近物质的情况下模拟这些，我们可以将这种理论知识应用于实验数据，以更好地预测对亚原子问题的预测。“

该团队的计算将补充在DOE即将到来的电子离子撞机或EIC上进行的实验，或者将在布鲁克霍夫国家实验室或BNL中建造的粒子撞机，这将提供亚杀菌粒子在质子内分布的详细空间和动量3D地图。

理解近距离夸克的性质可以帮助科学家预测当夸克与HIGGS玻色子相互作用的基本颗粒，与HIG​​GS场相关联的颗粒物理理论的场，这使得质量与其相互作用。该方法也可以用来帮助科学家了解受弱势力量管理的现象，这负责放射性衰变。

在最小的尺度模拟

为了绘制精确的图片，夸克如何运作，科学家通常必须平均其各自的质子内部的夸克的性质。使用碰撞器实验的结果，如在BNL的相对论重离子撞机中的碰撞器实验，大型强子撞机在Cern或Doe即将到来的EIC中，它们可以提取夸克能量和动量的一小部分。

但预测夸克与诸如Higgs玻色子和计算夸克能量的完全分布的颗粒相互作用，并且在粒子物理学中存在长期存在的挑战。

BálintJoó最近加入了实验室橡树岭领导计算设施的工作人员，这是一个科学用户设施的Doe办事处。要开始解决这个问题，joó转向了格拉米软件套件，为格拉迪QCD和NVIDIA的Quda库。格子QCD为科学家提供了学习夸克和泡沫的能力 - 通过表示作为网格的空间时间作为网格或装配夸克和胶原块的格子，在计算机上保持夸克的基本胶水颗粒。使用Chroma和Quda（在CUDA上用于QCD），joó在时空的立方体中的强力场的产生快照，加权快照来描述夸克在真空中做的内容。然后，其他团队成员拍摄了这些快照，并模拟了通过强力领域移动的夸克所发生的事情。

“如果你把夸克放入这个领域，它将类似地传播到电力场中的电荷如何导致电力传播通过该领域，”Joó说。

通过授予来自DOE的创新和新颖的计算对理论和实验程序的计算的计算时间，以及通过先进计算计划和Exascale计算项目的科学发现的支持，该团队采用了传播者计算并使用峰会将它们组合使用然后，它们可以用于提取结果的最终颗粒。

“我们将所谓的裸夸克群众和Quark-gluon耦合设置在我们的模拟中，”Joó说。“从这些裸价格出现的实际夸克质量，例如，通过模拟来计算 - 例如，通过将一些计算的粒子的值与他们的真实世界的同行进行比较，这是实验所知的。”

从物理实验中绘制，该团队知道他们正在模拟的最轻的物理粒子 - 称为Pi蒙黛斯或π-应具有大约140兆电型伏特或MEV的质量。该团队的计算从358 MeV降至172 meV，接近实验质量的块。

由于团队必须生成的真空快照的数量以及需要计算的夸克传播者的数量，所需的模拟需要峰会的权力。为了估计物理夸克质量的结果，所需的计算需要在三种不同的夸克夸克中进行并推断给物理。总共，团队在三维不同的夸克群众中使用了超过1,000个快照，其中格子范围从323到643点。

“仿真中夸克的群众越近，实际上，模拟越难，”卡佩说。“夸克的令人较轻的是，我们的求解器需要更多的迭代，因此达到物理夸克群众在QCD中是一个重大挑战。”

算法的进步带来了新的机会

joó自2007年以来一直在奥尔科斯系统上使用Chroma守则表示，多年来算法的改进有助于在物理质量处运行模拟的能力。

“像Quda等有效软件库中的多重资料库和它们的实现等算法改进，与可以执行它们的硬件相结合，使得可能成为可能的模拟，”他说。

虽然Chroma是他的面包和黄油代码，但Joó表示，代码开发的进步将继续为粒子物理学中针对新的挑战问题提供机会。

“尽管这些年来，尽管有了同样的代码，但是在引擎盖下仍然发生了新的事情，”他说。“总会有新的挑战，因为我们将永远存在新的机器，新的GPU和新方法，我们将能够利用。”

在未来的研究中，团队计划探索胶合，并以各种组件获得质子的完整3D图像。

参考：“Parton分发函数从彼得·计算的ioffe时间伪分布术：接近物理点“byBálint····卡佩，Kostas Orginos，Anatoly V. Radyushkin，David G. Richards和Savvas Zafiropoulos，2020年12月1日，物理评论信件.DOI：
10.1103 / physrevlett.125.232003

这项研究由Doe的科学办公室资助。