Los neutrones son partículas subatómicas notoriamente resbaladizas. Por sí solas, se descomponen en cuestión de minutos, pero dentro de los límites del núcleo del átomo, los neutrones son una pieza fundamental de casi todos los tipos conocidos de materia en el universo.
El descubrimiento en 1932 del físico inglés James Chadwick del neutrón eléctricamente neutro llenó un gran vacío en la comprensión de los científicos de la estructura del núcleo atómico. En lugar de un núcleo que contenga protones cargados positivamente y electrones cargados negativamente, Chadwick demostró que los protones y neutrones, colectivamenteconocidos como nucleones, agrupados en el núcleo para dar a los átomos la mayor parte de su masa.
En 1935, el físico japonés Hideki Yukawa predijo cómo era posible esta agrupación, identificando una fuerza atómica separada de la fuerza electromagnética que une protones y electrones. El descubrimiento de la llamada fuerza fuerte llevó a los científicos aún más abajo en el agujero del conejo de la física, revelandoLa base cuántica de la materia.
Además de mantener unidos protones y neutrones vecinos en un núcleo, la fuerza fuerte actúa para combinar partículas elementales conocidas como quarks en protones y neutrones. Cada protón y neutrón tiene tres quarks que están unidos mediante el intercambio de portadores de fuerza llamados gluones.
Hoy en día, los físicos nucleares están usando supercomputadoras para desarrollar teorías que explican cómo y por qué los núcleos se unen y se descomponen a medida que lo hacen. El diseño de este marco podría ayudar a los científicos a arrojar luz sobre la física básica de algunas preguntas complejas, como cómo se formó el universo,cómo arden las estrellas y por qué explotan. Una mejor comprensión en este campo también sería útil aquí en la Tierra, donde se podrían satisfacer las crecientes necesidades de energía a través de la fisión nuclear y la fusión.
Parte de resolver el núcleo atómico depende de obtener una mejor comprensión de los neutrones. Un equipo dirigido por James Vary de la Universidad Estatal de Iowa simuló grupos de neutrones llamados "gotas de neutrones" para comprender mejor sus propiedades. Los cálculos ab initio o cálculos basadossobre fuerzas y principios fundamentales, se realizaron en la supercomputadora Titan en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía de EE. UU. DOE. Titan es la máquina insignia de la Instalación de Computación de Liderazgo de Oak Ridge, una Instalación de Usuario de la Oficina de Ciencia del DOE.memoria y potencia informática, el equipo pudo determinar las energías del estado fundamental y otras propiedades de los sistemas de hasta 40 neutrones. Los resultados se publicaron en la edición de diciembre de 2014 de Física Letras B .
Para maximizar su tiempo en Titán, el equipo de Vary aprovechó las GPU de Titán para lograr una aceleración de dos a tres veces de la parte inicial de construcción de matriz de su aplicación Many Fermion Dynamics-nuclear MFDn. Hasta ahora, el proyecto ha utilizado42 millones de horas centrales en Titán, escalando a 18,424 de los nodos de Titán alrededor del 99 por ciento de la máquina.
Los resultados del equipo, que coinciden estrechamente con los cálculos de métodos complementarios, pueden guiar el desarrollo continuo de los investigadores de un marco universal llamado teoría funcional de la densidad nuclear que describe los núcleos atómicos y otras formas de materia nuclear basadas en la densidad de protones y neutrones en el espacio.
"Simular un sistema de solo neutrones es un poco más simple que simular un núcleo normal que contiene protones y neutrones, pero podría ayudarnos a aprender sobre los núcleos que tienen muchos más neutrones que protones", dijo Hugh Potter, miembro del equipo e IowaEstudiante de posgrado estatal: "Esta metodología también proporciona información sobre la parte de la fuerza fuerte que es específica de los neutrones".
Memoria y músculo GPU
El seguimiento de la interacción entre los nucleones crea un enorme problema computacional que crece con el tamaño del núcleo. El equipo de Vary obtuvo acceso a Titán, un Cray XK7 con un rendimiento máximo de 27 petaflops o 27 billones de cálculos por segundo, hasta un 2014Asignación de programa innovador y novedoso impacto computacional en teoría y experimento INCITE.
Usando MFDn, el equipo de Vary calculó las interacciones de cada sistema de caída de neutrones, teniendo en cuenta las fuerzas que existen entre pares de neutrones la fuerza de dos cuerpos y grupos de tres la fuerza de tres cuerpos.Se impuso una trampa de oscilador armónico en cada sistema de caída de neutrones para mantener los nucleones en su lugar.
MFDn reconstruye núcleos en tres etapas. Primero, el código genera una gran matriz de mil millones por mil millones que representa la fuerza fuerte que actúa entre los nucleones. Un algoritmo especializado reduce esta matriz a un conjunto útil de 10 vectores, cada uno con aproximadamente mil millones de valoresA partir de este conjunto de datos, los investigadores pueden derivar varias propiedades del núcleo en cuestión, incluida su energía, tamaño y densidad.
Titán posee 700 terabytes de memoria. A pesar de esta cifra, equivalente a alrededor de 90,000 computadoras portátiles, la memoria es una de las principales limitaciones para calcular los sistemas nucleares. A medida que crece el número de nucleones en el sistema, la memoria también demanda en la computadoraPara reducir el uso de memoria, el equipo de Vary empaquetó parte de los datos de entrada de MFDn en forma comprimida. "Desempaquetar" estos datos puede llevar mucho tiempo, pero al pasar este proceso a las GPU de Titan, el equipo aceleró su código entre un 20 y un 40 por ciento..
"Hacer que cada nucleón interactúe con cada otro nucleón se vuelve computacionalmente costoso muy rápidamente", dijo Potter. "Lo que hacen las GPU es descomprimir nuestros archivos de entrada para ayudarnos a ahorrar tiempo cuando ahorramos espacio. Sin la memoria de la clase de liderazgo de Titán, no lo haríamos".no podríamos calcular problemas hasta el tamaño que hicimos. Y sin sus GPU, no hubiéramos podido hacer tanta ciencia tan eficientemente como lo hicimos ".
El equipo continúa su investigación de las gotas de neutrones, entre otros núcleos, bajo una asignación INCITE 2015.
Publicaciones relacionadas :
D. Potter, et al., "Acelerando los cálculos de física nuclear de Ab Initio con GPU", en Actas de la Conferencia Internacional sobre Teoría Nuclear en la Era de la Supercomputación - 2013, eds. AM Shirokov y AI Mazur Khabarovsk, Rusia:Pacific National University, 2014, 263-271. Doi: http://arxiv.org/abs/1412.5989 .
D. Potter, et al., "Estudio Ab initio de gotas de neutrones con Hamiltonianos quirales", Physics Letters B 739 2014: 445-450. Doi: http://arxiv.org/abs/1406.1160 .
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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