فیزیک هسته ای برای محاسبات با کارایی بالا تقویت می شود

آزمایشگاه جفرسون و شرکای آن از طریق کمک هزینه های مشارکت برای محاسبات پیشرفته در فیزیک هسته ای از اکتشافات علمی استفاده می کنند.

نیوپورت نیوز، ویرجینیا – اخیراً تلاش‌ها برای مهار قدرت ابررایانه‌ها برای درک بهتر جهان‌های پنهان درون هسته اتم افزایش چشمگیری داشته است. پروژه ای که توسط مرکز شتاب دهنده ملی توماس جفرسون وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) رهبری می شود، یکی از سه پروژه ای است که باید تقسیم شود. 35 میلیون دلار کمک مالی از DOE از طریق برنامه مشارکت اکتشاف علمی DOE از طریق محاسبات پیشرفته (SciDAC).

هر یک از پروژه‌هایی که کمک هزینه دریافت می‌کنند، یک پروژه مشترک بین برنامه‌های فیزیک هسته‌ای (NP) و تحقیقات محاسبات علمی پیشرفته (ASCR) DOE است. برنامه مشارکت از SciDAC.

بیشترین بهره را از منابع محاسباتی مدرن ببرید

با قدرتمندتر شدن ابررایانه ها، دانشمندان به ابزارهای پیشرفته ای نیاز دارند تا از قابلیت های آنها نهایت استفاده را ببرند. مثلا، کتابچه راهنمای Oak Ridge CompUting Facility (OLCF) در آزمایشگاه ملی Oak Ridge DOE اکنون میزبان اولین بازدید عمومی در جهان است. یک ابر کامپیوتر در مقیاس فوق. ابرکامپیوتر Frontier آن دست یافته است 1 exaفلاپ در توانایی با نشان دادن اینکه می تواند انجام دهد یک میلیارد میلیارد محاسبه در ثانیه

فیزیک هسته ای یک زمینه مطالعاتی غنی، متنوع و هیجان انگیز است که منشا ماده مرئی را توضیح می دهد. و در فیزیک هسته‌ای، محاسبات با کارایی بالا ابزار بسیار مهمی در تلاش‌های ما برای کشف منشأ ماده هسته‌ای در جهانمان است.” دانشمند ارشد و معاون رهبر گروه آزمایشگاه جفرسون مرکز فیزیک نظری و محاسباتی.

ادواردز است محقق اصلی یکی از سه پروژه پروژه او، فیزیک هسته‌ای بنیادی در مقیاس بزرگ و فراتر از آن، پایه محکمی از منابع نرم‌افزاری برای فیزیکدانان هسته‌ای خواهد ساخت تا به سؤالات کلیدی در مورد پاسخ دهند. بلوک های سازنده جهان مرئی این پروژه به دنبال کمک به فیزیکدانان هسته ای است تا سؤالاتی در مورد خواص اساسی ذرات مانند پروتون موجود در همه جا را درک کنند.

ادواردز توضیح داد: «یکی از پرسش‌های کلیدی پژوهشی که امیدواریم روزی به آن پاسخ دهیم این است که منشأ جرم ذره، منشأ اسپین آن چیست و ویژگی‌های در حال ظهور یک سیستم متراکم از ذرات چیست؟»

این پروژه 13 میلیون دلاری شامل دانشمندان کلیدی مستقر در شش آزمایشگاه ملی DOE و دو دانشگاه از جمله جفرسون است. آزمایشگاه، آزمایشگاه ملی آرگون، آزمایشگاه ملی بروکهاون، آزمایشگاه ملی اوک ریج، آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، آزمایشگاه ملی لوس آلاموس، موسسه فناوری ماساچوست و ویلیام و مری.

هدف آن است بهینه سازی ابزارهای نرم افزاری مورد نیاز برای محاسبات کرومودینامیک کوانتومی (QCD). QCD نظریه ای است که ساختار پروتون ها و نوترون ها – ذرات سازنده آنها را توصیف می کند. هسته های اتمی – و همچنین بینشی در مورد ذرات دیگری که به ساختن جهان ما کمک می کنند ارائه دهید. پروتون ها از ذرات کوچک تری به نام کوارک تشکیل شده اند که توسط چسبی با نیروی نیرو که به صورت ذرات گلوئون ظاهر می شوند در کنار هم نگه داشته می شوند. آنچه مشخص نیست این است که خواص پروتون چگونه به وجود می آید کوارک ها و گلوئون ها.

شواهد نشان می‌دهد که جرم کوارک‌ها بسیار کوچک است و تنها ۱ درصد است. بقیه از چسب است. پس چسب چه نقشی در این ساختار داخلی دارد؟

مدل سازی جهان زیراتمی

هدف از محاسبات ابررایانه‌ای تقلید روشی است که کوارک‌ها و گلوئون‌ها دنیای واقعی را در مقیاس کوچک خود تجربه می‌کنند، به نحوی که توسط رایانه‌ها قابل محاسبه باشد. برای انجام این کار، فیزیکدانان هسته ای از ابررایانه ها استفاده می کنند تا ابتدا یک عکس فوری از محیط داخل یک پروتون که این ذرات در آن زندگی می کنند برای محاسبات ایجاد کنند. سپس به صورت ریاضی تعدادی کوارک و چسب می‌ریزند و از ابررایانه‌ها برای پیش‌بینی نحوه تعامل آنها استفاده می‌کنند. میانگین گرفتن هزاران عکس فوری به فیزیکدانان راهی برای تقلید از زندگی ذرات در دنیای واقعی می دهد.

راه‌حل‌های حاصل از این محاسبات، ورودی آزمایش‌هایی را که امروز در تأسیسات شتاب‌دهنده پرتو الکترونی پیوسته (CEBAF) آزمایشگاه جفرسون و شتاب‌دهنده یون سنگین نسبیتی (RHIC) آزمایشگاه بروک‌هاون انجام می‌شوند، ارائه می‌دهد. CEBAF و RHIC امکانات کاربری دفتر علوم DOE هستند.

ادواردز افزود: «اگرچه ما این پیشنهاد را بر اساس الزامات برخورددهنده یون الکترون آینده قرار ندادیم، بسیاری از مسائلی که اکنون در تلاش برای حل آن هستیم، مانند زیرساخت‌های کد و روش‌شناسی، بر EIC تأثیر می‌گذارد».

این پروژه از یک رویکرد چهار جانبه برای کمک به ساده‌سازی این محاسبات برای استفاده بهتر از ابررایانه‌ها استفاده می‌کند و در عین حال ماشین‌های قدرتمندتر را برای آنلاین شدن آماده می‌کند.

دو رویکرد اول مربوط به تولید بخش کوچکی از جهان کوارک ها و گلوئون ها است. هدف محققان این است که این کار را برای رایانه‌ها با ساده‌سازی فرآیند با نرم‌افزار ارتقا یافته و استفاده از نرم‌افزار برای تقسیم این فرآیند به قطعات کوچک‌تری از محاسبات که محاسبه آن برای رایانه آسان‌تر است، آسان‌تر کنند. سپس قسمت دوم این پروژه معرفی خواهد شد فراگیری ماشین برای دیدن اینکه آیا الگوریتم های موجود را می توان از طریق مدل سازی رایانه ای اضافی بهبود بخشید یا خیر.

رویکرد سوم شامل تحقیق و آزمایش تکنیک‌های جدید برای بخشی از محاسبات است که نحوه تعامل کوارک‌ها و گلوئون‌ها در جهان تولید شده توسط کامپیوترشان را مدل‌سازی می‌کند.

رویکرد چهارم و نهایی، تمام اطلاعات سه دندان اول را جمع‌آوری می‌کند و شروع به بزرگ‌کردن آنها برای استفاده در ابررایانه‌های نسل بعدی می‌کند.

هر سه پروژه SciDAC کمک های مالی DOE دریافت کردند تلاش ها در تحقیقات فیزیک هسته ای را پوشش می دهد. این پروژه ها با هم به سوالات اساسی در مورد ماهیت ماده هسته ای، از جمله خواص هسته ها، ساختار هسته ای، تصویربرداری نوکلئون، و کشف حالت های عجیب و غریب کوارک ها و گلوئون ها می پردازند.

تیموتی هولمن، معاون مدیر علوم DOE برای NP گفت: «پروژه های شریک SciDAC در حال استقرار محاسبات با کارایی بالا و امکان اکتشافات علمی پیشرو در جهان در تاسیسات فیزیک هسته ای ما هستند.

مجموع بودجه اعلام شده توسط DOE شامل 35 میلیون دلار در مدت پنج سال، با 7.2 میلیون دلار در سال مالی 2022 و بودجه سال آینده مشروط به تخصیص بودجه کنگره است.

اطلاعات بیشتر:
وزارت انرژی 35 میلیون دلار برای کشف علم از طریق مشارکت محاسبات پیشرفته (SciDAC) در فیزیک هسته ای اعلام کرد.
Orginos & Stathopoulos نقش مهمی در طرح جدید SciDAC وزارت انرژی ایفا می کنند

مخاطب: کندیس کارتر، دفتر ارتباطات آزمایشگاه جفرسون، kcarter@jlab.org