Desde a década de 1930, os cientistas têm usado aceleradores de partículas para obter insights sobre a estrutura da matéria e as leis da física que governam nosso mundo. Esses aceleradores são algumas das ferramentas experimentais mais poderosas disponíveis, impulsionando partículas quase à velocidade da luz e, em seguida, colidindo-as para permitir que os físicos estudem as interações resultantes e as partículas que se formam.
Muitos dos maiores aceleradores de partículas visam fornecer uma compreensão dos hádrons – partículas subatômicas, como prótons ou nêutrons, que são formadas por duas ou mais partículas chamadas quarks. Quarks estão entre as menores partículas do universo e carregam apenas cargas elétricas fracionárias. Os cientistas têm uma boa ideia de como os quarks formam os hádrons, mas as propriedades dos quarks individuais têm sido difíceis de descobrir porque não podem ser observadas fora de seus respectivos hádrons.
Usando o supercomputador Summit localizado no Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia, uma equipe de físicos nucleares liderada por Kostas Orginos no Thomas Jefferson National Accelerator Facility e William & Mary desenvolveu um método promissor para medir as interações de quark em hádrons e aplicou isso método para simulações usando quarks com massas próximas às físicas. Para completar as simulações, a equipe usou uma poderosa técnica computacional chamada cromodinâmica quântica treliça, ou LQCD, associada ao poder de computação do Summit, o supercomputador mais rápido do país. Os resultados foram publicados na Physical Review Letters.
“Normalmente, os cientistas conhecem apenas uma fração da energia e do momentum dos quarks quando estão em um próton”, disse Joe Karpie, cientista de pós-doutorado na Universidade de Columbia e principal autor do artigo. “Isso não diz a eles a probabilidade de o quark se transformar em um tipo diferente de quark ou partícula. Enquanto os cálculos anteriores dependiam de massas artificialmente grandes para ajudar a acelerar os cálculos, agora fomos capazes de simular isso muito perto do físico massa, e podemos aplicar esse conhecimento teórico a dados experimentais para fazer melhores previsões sobre a matéria subatômica. ”
Os cálculos da equipe irão complementar os experimentos realizados no próximo Electron-Ion Collider do DOE, ou EIC, um colisor de partículas a ser construído no Laboratório Nacional de Brookhaven, ou BNL, que fornecerá mapas 3D espaciais e momentâneos detalhados de como as partículas subatômicas são distribuídas dentro o próton.
Compreender as propriedades dos quarks individuais pode ajudar os cientistas a prever o que acontecerá quando os quarks interagirem com o bóson de Higgs, uma partícula elementar associada ao campo de Higgs, um campo da teoria da física de partículas que dá massa à matéria que interage com ele. O método também pode ser usado para ajudar os cientistas a entender fenômenos governados pela força fraca, que é responsável pela decadência radioativa.
Simulações nas menores escalas
Para pintar um quadro preciso de como os quarks operam, os cientistas normalmente precisam calcular a média das propriedades dos quarks dentro de seus respectivos prótons. Usando resultados de experimentos com colisor como os do Relativistic Heavy Ion Collider no BNL, o Large Hadron Collider no CERN ou o EIC que está por vir do DOE, eles podem extrair uma fração da energia e momentum de um quark.
Mas prever o quanto os quarks interagem com partículas como o bóson de Higgs e calcular a distribuição completa das energias e momentos dos quarks continuam sendo desafios de longa data na física das partículas.
Bálint Joó recentemente se juntou à equipe do laboratório Oak Ridge Leadership Computing Facility, uma instalação do DOE Office of Science. Para começar a lidar com esse problema, Joó recorreu ao pacote de software Chroma para o lattice QCD e a biblioteca QUDA da NVIDIA. O Lattice QCD dá aos cientistas a capacidade de estudar quarks e glúons – as partículas elementares semelhantes a cola que mantêm os quarks juntos – em um computador, representando o espaço-tempo como uma grade ou treliça na qual os campos de quark e gluon são formulados. Usando Chroma e QUDA (para QCD em CUDA), Joó gerou instantâneos do campo de força forte em um cubo de espaço-tempo, ponderando os instantâneos para descrever o que os quarks estavam fazendo no vácuo. Outros membros da equipe então tiraram esses instantâneos e simularam o que aconteceria quando os quarks se movessem pelo campo de força forte.
“Se você soltar um quark neste campo, ele se propagará de forma semelhante à forma como a queda de uma carga elétrica em um campo elétrico faz com que a eletricidade se propague através do campo”, disse Joó.
Com a concessão de tempo computacional do programa Impacto Computacional Inovador e Novo do DOE em Teoria e Experimento, bem como apoio da Descoberta Científica através do programa de Computação Avançada e do Projeto de Computação Exacale, a equipe pegou os cálculos do propagador e os combinou usando Summit para gerar partículas finais que eles poderiam usar para extrair resultados.
“Nós definimos o que é conhecido como massas de quark nuas e o acoplamento quark-gluon em nossas simulações”, disse Joó. “As massas reais do quark, que surgem desses valores simples, precisam ser calculadas a partir das simulações – por exemplo, comparando os valores de algumas partículas computadas com suas contrapartes do mundo real, que são conhecidas experimentalmente.”
Com base em experimentos físicos, a equipe sabia que as partículas físicas mais leves que eles estavam simulando – chamadas de mésons pi, ou píons – deveriam ter uma massa de cerca de 140 megaelétrons volts, ou MeV. Os cálculos da equipe variaram de 358 MeV a 172 MeV, perto da massa experimental de píons.
As simulações exigiram o poder do Summit por causa do número de instantâneos de vácuo que a equipe teve que gerar e o número de propagadores de quark que precisaram ser calculados neles. Para fazer uma estimativa dos resultados na massa física do quark, cálculos precisavam ser realizados em três massas diferentes de quarks e extrapolados para a massa física. No total, a equipe usou mais de 1.000 instantâneos em três diferentes massas de quark em cubos com redes variando de 323 a 643 pontos no espaço.
“Quanto mais próximas as massas dos quarks na simulação estão da realidade, mais difícil é a simulação”, disse Karpie. “Quanto mais leves os quarks são, mais iterações são necessárias em nossos solucionadores, então chegar às massas físicas dos quarks tem sido um grande desafio no QCD.”
Avanços algorítmicos trazem novas oportunidades
Joó, que usa o código Chroma em sistemas OLCF desde 2007, disse que as melhorias nos algoritmos ao longo dos anos contribuíram para a capacidade de executar simulações na massa física.
“Melhorias algorítmicas como solvers multigrid e suas implementações em bibliotecas de software eficientes como QUDA, combinadas com hardware que pode executá-los, tornaram esses tipos de simulações possíveis”, disse ele.
Embora o Chroma seja seu código-base, Joó disse que os avanços no desenvolvimento de código continuarão a fornecer oportunidades para enfrentar novos problemas de desafio na física de partículas.
“Apesar de ter trabalhado com o mesmo código todos esses anos, coisas novas ainda acontecem nos bastidores”, disse ele. “Sempre haverá novos desafios porque sempre haverá novas máquinas, novas GPUs e novos métodos dos quais poderemos tirar proveito.”
Em estudos futuros, a equipe planeja explorar os glúons, bem como obter uma imagem 3D completa do próton com seus vários componentes.
Publicado em 27/01/2021 13h51
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