Proiectul TitanLumea noastră este formată din particule atât de mici, încât acestea ar putea fi considerate de fapt puncte din spaţiu. Acestea sunt quarcurile, particule relativ recent apărute în cadrul fizicii particulelor, dar a căror existenţă a fost postulată încă de pe la mijlocul anilor '60. Uniţi aceste particule şi veţi obţine protoni şi neutroni. Uniţi-le în continuare pe acestea din urmă şi veţi obţine nucleele atomilor. Mai departe acestea formează Universul nostru.

 

O echipă de cercetători de la Thomas Jefferson National Accelerator Facility (JLab) din Virginia lucrează în prezent pentru a aprofunda înţelegerea quarcurilor cu ajutorul supercomputerului Titan al Oak Ridge National Laboratory. Un articol dintr-o ediţie recentă a revistei Physical Review D prezintă activitatea acestora.

Proiectul Titan

GlueX este un experiment ce se desfăşoară la Jefferson Lab şi al cărui scop este de a studia nucleul atomic prin cartografierea spectrului de mezoni exotice care sunt generaţi prin excitarea unui câmp gluonic care uneşte quarcurile. Credit imagine: Thomas Jefferson National Accelerator Facility.

Quarcurile şi companionii lor, gluonii, particule purtătoare de forţă, sunt menţinute împreună de forţa tare, care este una dintre cele patru forţe fundamentale din Univers alături de gravitaţie, electromagnetism şi forţa slabă (cea care este responsabilă de dezintegrarea nucleară).

Forţa tare este pe bună dreptate denumită în acest fel. Atunci când două quarcuri sunt separate câmpul gluonic care le menţine pe acestea împreună devine mai puternic (spre deosebire de gravitaţie, de exemplu, a cărei intensitate se reduce prin creşterea distanţei). Este necesară atât de multă energie pentru a rupe legătura dintre quarcuri încât, de fapt, energia în sine devine un quarc şi un antiquarc, în conformitate cu faimoasa ecuaţie a lui Einstein E=mc2, care descrie conversia dintre masă şi energie.

Cu alte cuvinte, quarcurile nu pot exista singure, chiar şi atunci când acestea sunt îndepărtate unele de altele. În schimb, întotdeauna ele pot fi găsite în grupuri de două quarcuri (denumite mezoni) şi de trei quarcuri (denumite barioni). Legile care descriu aceste grupări de quarcuri şi studiul acestor legi fac obiectul cromodinamicii cuantice sau QCD (quantum chromodynamics).

Modul în care se aplică QCD este similar cu interacţiunea dintre culori (de aici provine prefixul „cromo" din cuvântul cromodinamică). Există trei sarcini de culoare: vă puteţi gândi la ele ca la culorile roşu, verde şi albastru de pe un ecran de televizor. Există, de asemenea, trei „anticulori": vă puteţi gândi la acestea ca la culorile cyan, magenta şi galben de la o imprimantă color. Pentru a face ca lucrurile să fie doar puţin mai complicate, quarcurile pot avea doar o singură culoare sau o singură anticuloare, în timp ce gluonii au atât o culoare, cât şi o anticuloare.



În conformitate cu QCD, quarcurile întotdeauna se găsesc în grupări care se contopesc pentru a genera culoarea „albă". Mezonii formaţi din două quarcuri respectă această regulă prin combinarea unei culori cu o anticuloare.

O provocare cu care se confruntă oamenii de ştiinţă din fizica nucleară experimentală este aceea că ei trebuie să obţină cât mai multe informaţii despre quarcuri şi gluoni prin studierea acestor particule compozit. Deşi s-au înregistrat progrese importante în acest sens, mai sunt multe de învăţat. Potrivit unui membru al echipei de cercetători, Jozef Dudek, nu vom putea pretinde că am înţeles modul în care s-a format Universul până când nu vom înţelege mult mai bine această lume microscopică.

„Bosonul Higgs a reprezentat o etapă importantă şi s-a susţinut că acesta completează modelul standard şi că tot ce există în modelul standard este înţeles", a spus el. „Ei bine, QCD este o componentă a modelului standard şi noi vă spunem drept că nu înţelegem QCD".

Informaţiile pe care le avem provin în urma sfărâmării particulelor încărcate în protoni şi prin analiza a ceea ce a rezultat în urma dezintegrării acestora. Mai exact, se poate întâmpla ca quarcurile din aceste particule să absoarbă energia şi să devină excitate. Această excitaţie este cunoscută sub numele de rezonanţă.

„Vă puteţi gândi la aceasta ca la sunetul unui clopot", a declarat Robert Edwards, un membru al echipei de cercetare. „Avem un proton şi-l lovim. Protonul emite un sunet. Şi aceste tonuri sonore care reprezintă de fapt stările excitate ale unor quarcuri din ele ne dau informaţii despre elementele constitutive din interiorul protonilor".

O parte dintre aceste informaţii provin din energia necesară pentru a excita particula.

„Ceea ce veţi descoperi este că pentru anumite energii ale fasciculului de particule nu se întâmplă nimic deosebit", a explicat Edwards, „până când ajungeţi într-un domeniu restrâns de energie unde brusc se produce o reacţie foarte puternică. În continuare puteţi utiliza energii mai mari ale fasciculului de particule şi, din nou, nu se întâmplă nimic deosebit".

În articolul recent din Physical Review D echipa de cercetători a explicat cum a reuşit, pentru prima dată, să studieze în detaliu fenomenul de rezonanţă, în acest caz este vorba despre rezonanţa rho [r], cea care a fost obţinută prin ciocnirea a două particule. Particulele din experiment au fost mezonii pi care, ca toţi mezonii, conţin un quarc şi un antiquarc. Echipa a folosit un cod cunoscut sub numele de CHROMA şi o tehnică cunoscută sub numele de reţea QCD, sau LQCD.

„Este un lucru remarcabil că am putut demonstra rezonanţa printr-un calcul QCD al unei reţele", a remarcat Dudek, „pentru că chiar dacă calculul s-a efectuat, mai pot exista îndoieli asupra faptului dacă acesta s-a realizat într-adevăr la nivelul de detaliere dorit".

Reţeaua sau grila de puncte prin care quarcurile sunt reprezentate matematic poate fi foarte mare, calculele recente ajung pană la 16 milioane de poziţii (40 de poziţii pe fiecare dintre cele trei dimensiuni spaţiale şi 256 de poziţii în direcţia timp).

În cadrul reţelei, CHROMA a calculat mai întâi câmpurile gluonice în aproximativ 1.000 de configuraţii posibile, prin intermediul unei serii de ecuaţii matriceale (200 de milioane pe 200 de milioane). Aceasta este partea procesului de calcul care necesită ajutorului lui Titan şi a celor 18.688 GPU NVIDIA.

„În prima etapă se generează un instantaneu al câmpului gluonic într-un vid", a declarat Dudek, „iar acest lucru se datorează faptului că vidul reprezintă de fapt un lucru complicat. Aţi putea crede că nu este nimic aici şi că el ar trebui să fie simplu. Din cauza naturii cuantice a QCD, există câmpuri de gluoni şi câmpuri de quarcuri care apar şi dispar de peste tot, în permanenţă".

Ca urmare a acestor fluctuaţii cuantice, echipa de cercetători trebuie să genereze multe astfel de instantanee, de obicei aproximativ 1.000. Fiecare imagine este realizată pe baza celei precedente în încercarea de a captura o fluctuaţie probabilă a câmpurilor la fiecare pas. Pentru a repartiza munca în mod eficient în cadrul unităţilor GPU (n.t Graphics processing units) ale supercomputerului Titan, proiectul apelează la interconectarea Gemini a lui Titan ce permite o partajare rapidă a informaţiilor între unităţile de prelucrare din cadrul acestuia.

Următoarea fază a proiectului, deplasarea quarcurilor prin vidul gluonic turbulent, nu solicită neapărat utilizarea lui Titan, a explicat Balint Joo, un membru al echipei de cercetători. În mare măsură aceasta se datorează faptului că aceste calcule, ce se pot efectua mai târziu, pot realiza un singur instantaneu la un moment dat.

„Odată ce avem aceste instantanee putem lucra pe mai multe sisteme individuale", a spus el, „pentru că putem studia instantaneele, sau fluctuaţiile câmpului gluonic, într-un mod independent cu scopul de a analiza mişcarea quarcurilor prin diferitele configuraţii ale gluonilor. Toate aceste operaţii le efectuăm într-un mod secvenţial".

Echipa a reuşit să efectueze cinci rulări ale programului la un moment dat. În toate acestea a folosit 4.000 de noduri ale lui Titan şi a atins o viteză de prelucrare a informaţiilor de 300 de trilioane de calcule pe secundă sau de 300 teraflops. CHROMA este optimizat pentru acceleratoare şi el se bazează foarte mult pe unităţile GPU ale lui Titan, a declarat Joo. Acesta a mai adăugat că echipa de cercetători a mai lucrat cu GPU-uri înainte ca Titan să intre în scenă. Cu toate acestea, Titan a fost cel care a făcut posibil acest proiect.

„O putere de calcul similară nu este uşor de găsit în altă parte. Există doar unul sau două locuri în lume unde puteţi găsi 4.000 de GPU-uri într-un singur loc".

Mare parte din succesul echipei LQCD se datorează flexibilităţii codului său. CHROMA conţine un modul de calcul cunoscut sub numele de QDP++, în care QDP înseamnă „QCD Data Parallel". Joo a spus că versiunea pentru GPU al acestui modul, cunoscută sub numele QDP-JIT şi dezvoltată de Frank Winter, foloseşte o nouă soluţie de calcul care nu doar că permite ca codul să poată fi rulat pe Titan, dar, de asemenea, permite ca acesta să poată fi folosit ca o bază de referinţă pentru realizarea viitoarelor arhitecturi.

„Inovaţia care permite ca codul să poată fi executat pe GPU-uri poate fi transferată către alte arhitecturi viitoare", a menţionat el. „În consecinţă, dacă se va dori utilizarea unui alt computer cu o arhitectură diferită vom avea posibilitatea de a refolosi acest modul în cadrul acestuia într-un mod eficient, credem noi".

Cu încrederea că au utilizat LQCD pentru a anticipa în detalii fără precedent rezonanţa rho a mezonului, echipa de cercetători are în faţă noi obiective de realizat, replicarea rezonanţelor care au fost măsurate şi estimarea rezonanţelor care nu au fost măsurate sau cel puţin nu au fost încă măsurate. Un obiectiv major al echipei LQCD este de a lucra împreună cu cercetătorii de la Continuous Electron Beam Accelerator Facility al JLab pentru a găsi noi rezonanţe. În cadrul acestui centru de cercetare se desfăşoară lucrările de modernizare în urma cărora se va dubla energia fasciculului de electroni de la 6 miliarde până la 12 miliarde de electroni volţi sau 12 GeV. Echipa LQCD speră să poată fi de ajutor în acest sens şi, de asemenea, a amintit descoperirile care vor putea rezulta de pe urma acestei modernizări.

„Există anumite combinaţii ale acestor quarcuri şi gluoni care ar trebui să existe ca urmare a QCD, QCD permite existenţa acestora, dar ele nu au fost niciodată determinate în mod experimental", a spus Edwards. „Şi acesta este unul dintre obiectivele urmărite în cadrul modernizării de 12 GeV. Ar putea exista stări exotice ale materiei, dar nu ştim dacă ele ar putea fi surprinse în mod experimental".

Răspunsurile pe care le vom obţine ne vor ajuta să înţelegem mai bine cum putem integra împreună toate aceste informaţii. Aşa cum Dudek a remarcat, bosonul Higgs, cel care a fost recent confirmat şi care a fost necesar pentru a explica masa particulelor, nu este suficient.

„Masa pe care câmpul Higgs o conferă quarcurilor down şi up care formează protonii este de doar câteva procente, restul de masă provine în urma interacţiunilor dintre quarcuri şi gluoni. Dacă doriţi să ştiţi de unde provine toată masa pe care o observăm în Univers, de ce avem masă, de ce planetele şi stelele au masă, ar fi mai bine să vă uitaţi la cromodinamica cuantică".



Traducere de Cristian-George Podariu după titan-explores-smallest-blocks, cu acordul phys.org.