杰斐遜實驗室及其合作伙伴通過核物理高級計算合作項目獲得科學發現獎。

1、充分利用先進的計算資源

利用超級計算機的力量來更好地了解原子核內部隱藏的世界，這一領域最近取得了進步。

由美國能源部(DOE)托馬斯·杰斐遜國家加速器設施(Thomas Jefferson National Accelerator Facility)牽頭的高級計算科學發現(SciDAC)項目，是DOE劃撥3500萬美元贈款的三個項目之一。

每個獲得資助的項目都是DOE的核物理(NP)和高級科學計算研究(ASCR)項目之間的聯合項目，也是SciDAC的合作項目。

隨著超級計算機越來越強大，科學家需要先進的工具來充分利用它們的能力。

例如，美國能源部橡樹嶺國家實驗室的橡樹嶺領導力計算設施(OLCF)現在擁有世界上第一臺公開的超大型計算機。

該公司的Frontier超級計算機每秒可執行十億次計算，實現了1 exaFLOPS的性能。

羅伯特·愛德華茲表示：“核物理學是解釋可見物質起源的一個豐富、多樣和令人興奮的研究領域。在核物理學中，高性能計算是我們解開宇宙中核物質起源的關鍵工具。”

愛德華茲是杰斐遜實驗室理論和計算物理中心的高級職員科學家和副組長，也是這三個項目之一的首席研究員。

他的項目“百億億及更高級別的基礎核物理”將為核物理學家解決有關可見宇宙構建塊的關鍵問題奠定堅實的軟件資源基礎。

該項目旨在幫助核物理學家解決有關粒子基本性質的問題，例如無處不在的質子。

愛德華茲解釋道：“我們希望有一天能回答的一個關鍵研究問題是，粒子質量的起源是什么，它的自旋起源是什么，以及稠密粒子系統的新特性是什么?”。

這項耗資1300萬美元的項目，包括DOE六個國家實驗室和兩所大學的關鍵科學家，包括杰斐遜實驗室、阿貢國家實驗室、布魯克黑文國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室、勞倫斯伯克利國家實驗室、洛斯阿拉莫斯國家實驗室、麻省理工學院和威廉瑪麗大學。

它旨在優化計算量子色動力學(QCD)所需的軟件工具。

QCD是一種描述質子和中子(構成原子核的粒子)結構的理論，同時也為幫助構建宇宙的其他粒子提供了見解。

質子是由稱為夸克的較小粒子構成的，這些粒子由一種強力膠結合在一起，表現為膠子粒子。尚不清楚的是，質子的性質是如何由夸克和膠子產生的。

他說：“證據表明夸克的質量非常小，只有1%。其余都來自膠水。那么，膠水在內部結構中起什么作用呢?”

2、亞原子宇宙建模

超級計算機計算的目標是模擬夸克和膠子，以計算機可以計算的方式用微小尺度體驗真實世界。

為了做到這一點，核物理學家首先使用超級計算機生成質子內部環境的快照，這些粒子在質子內部生存，模擬計算。

然后，他們在數學上加入一些夸克和膠子，并使用超級計算機來預測它們之間的相互作用。

通過對數千張快照進行平均，物理學家可以模擬粒子在現實世界中的狀態。

這些計算結果將為今天在杰斐遜實驗室的連續電子束加速器設施(CEBAF)和布魯克黑文實驗室的相對論重離子對撞機(RHIC)進行的實驗提供數據輸入。

CEBAF和RHIC都是DOE科學辦公室的用戶設施。

愛德華茲補充道：“雖然我們沒有將這項建議建立在未來電子離子對撞機的要求之上，但我們現在正在努力解決的許多問題，例如代碼基礎設施和方法，將影響EIC。”

該項目將采用多管齊下的方法，幫助簡化這些計算，以便更好地在超級計算機上使用，同時也為更強大的機器上線做好準備。

前兩種方法涉及到夸克和膠子在宇宙中的小部分的產生。

研究人員的目標是通過使用升級的軟件簡化過程，并使用軟件將這一過程分解為更小的計算塊，從而使計算機更容易完成這項任務。

該項目的第二部分將引入機器學習，看看是否可以通過額外的計算機建模來改進現有算法。

第三種方法是探索和測試新的計算技術，以模擬夸克和膠子在計算機生成的宇宙中的相互作用。

第四個也是最后一個方法將收集的所有信息，開始對它們進行縮放，以用于下一代超級計算機。

DOE授予的所有三個SciDAC項目都跨越了核物理研究的領域。

這些項目共同解決了有關核物質性質的基本問題，包括核的性質、核結構、核子成像，以及發現夸克和膠子的奇異狀態。

“SciDAC合作項目部署了高性能計算，并在我們的核物理設施中實現了世界領先的科學發現，”美國能源部NP科學副主任蒂莫西·霍爾曼表示。

DOE宣布的總資金包括3500萬美元，為期五年，2022財年為720萬美元，年度外資金取決于國會撥款。

(文章來源 eurekalert網)