奥斯汀德克萨斯大学的豪尔赫·萨拉扎 物理学家正在解开亚原子质子的秘密，使用欧洲核子研究中心罗盘实验上的仪器，如这里显示的UIUC建造的漂移室DC5
TACC的弗龙特拉超级计算机将帮助分析罗盘数据，并指导未来实验升级的设计
信用:卡罗琳·里德 世界各地的物理学家正在打开原子核内的质子，看看里面有什么
质子是原子核的基本组成部分，在磁共振成像中，它被用作医学探针
它还有一个丰富的内部结构，由称为夸克和胶子的亚原子粒子组成，将夸克结合在一起
科学家们正在进行一项独特的实验，包括世界上最大的粒子物理实验室和世界上最快的大学超级计算机来观察和理解质子内部的动态世界
来自12个国家和24个机构的大约240名物理学家在欧洲核子研究中心的COMPASS实验上进行合作，COMPASS实验是结构和光谱学的普通μ子和质子仪器的简称
他们利用欧洲粒子物理研究所北区超级质子同步加速器的粒子束和一个自旋极化的固定目标，通过粒子碰撞将质子分裂，从而探索那里的质子结构
质子破碎的内部肉眼看不见，需要大型探测器来记录和数字化粒子信息，并以特殊的数据格式存储
为了解释数据，物理学家使用复杂的算法对其进行处理
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校核物理研究助理教授卡罗琳·里德尔说:“破碎粒子的空间模式和速度使我们能够创建质子和其他由量子环组成的物体的动态图像。”
与她的UIUC团队一起，Riedl参与了COMPASS极化Drell-Yan项目，并且是2018年运行的COMPASS技术协调员
她的团队以前使用国家超级计算应用中心的蓝色水域超级计算机来处理数十亿字节的罗盘数据
她正在将研究扩展到德克萨斯高级计算中心(TACC)的弗龙特拉系统，这是世界上第五大最强大和最快的大学超级计算机
Frontera将加强对2015年至2018年间获取的现有COMPASS数据的分析
通过分析2015年至2018年间收集的COMPASS数据，她的团队与合作的COMPASS同事首次能够证实，与深度非弹性散射相比，在德雷-延散射中，西佛函数的符号变化在理论上是可以预期的
这种所谓的西弗斯动量相关分布源于质子自旋和夸克横向动量之间的相关性，因此似乎与质子内部的夸克轨道运动有关
对西弗斯战区导弹防御系统符号变化的观察是NSAC(核科学咨询委员会)在美国能源部和国家科学基金会资助的核物理研究中为数不多的里程碑式的表现之一
COMPASS实验将一束π介子(由夸克组成的粒子)射向一个固定的目标
余波被240个追踪平面记录下来，这些追踪平面沿着亚原子粒子释放的路径前进
这里是计算挑战变得沉重的地方
“寻找从相互作用点出现的粒子轨迹并穿过数百个罗盘探测器层的过程需要大量的中央处理器，”里德尔说
跟踪程序是数据分析的第一步
里德说，另一项非常耗费CPU的任务是对大约2%的数据进行采样，以确定探测器平面的效率
为物理分析及时提供数据是一个障碍
一束高能(190千电子伏)带电粒子(π介子)撞击(来自左下角)一个横向自旋极化质子的固定目标
红点表示以重合模式记录的各种COMPASS跟踪探测器中的命中
真实命中信息是通过在对准和校准数据库中查找信息来确定的
跟踪算法试图找到这大约200次撞击的最佳匹配，并重建每个带电粒子的轨迹
根据两个强偶极磁体的弯曲半径，可以确定每个带电粒子的动量，而其他检测器可以识别不同的粒子种类
信用:卡罗琳·里德 “挑战包括在计算网格上并行提交跟踪代码，同时在输入/输出和请求的计算节点数量方面尊重系统
一个典型的生产活动需要大约50，000个，最好是平行的，提交跟踪代码，”里德尔说
总之，大约3pb的COMPASS数据已经从蓝水转移到TACC的牧场存储管理系统，这使得它能够在Frontera上进行分析
除了分析过去的COMPASS数据，她的团队正在使用Frontera为未来的COMPASS ++ AMBER实验设计新的探测器
在欧洲粒子物理研究所超级质子同步加速器的M2光束线上的这个新设施将使大量的测量能够解决量子色动力学的基本问题
提出的计划包括使用μ子束测量质子电荷半径，μ子是类似于电子但质量大得多的基本粒子；用专用介子束研究介子和重子的光谱学:用德雷尔-杨过程研究介子和重子结构：最终是对强子质量出现的基本探索
Riedl是由质子核心的基本问题驱动的
夸克在质子内部是如何运动的，它们的轨道运动是怎样的？夸克在质子中是如何分布的？以及夸克和胶子是如何产生观测到的大核质量的？ 根据Riedl的说法，后一个问题将由欧洲粒子物理研究所未来的COMPASS++/AMBER实验来解决
“我们在Frontera上运行大量的COMPASS数据，确定探测器效率，并模拟COMPASS和COMPASS++/AMBER数据
模拟数据在理解微妙的探测器效应和补充实验数据方面发挥着核心作用，”里德尔说
“Frontera将使我们能够以所需的精度及时分析COMPASS数据，从而以尽可能小的不确定性获得数据的绝对标准化
" Riedl希望对Frontera的改进分析能让研究人员比以往更快地发现质子内部
“只有Frontera将允许为未来的COMPASS++/AMBER实验优化仪器升级所必需的详细模拟，”她补充道
弗龙特拉是一个由国家科学基金会资助的领先的超级计算系统，它将允许美国
与国际研究团队竞争
" 瑞尔的研究符合理解核物理和量子色动力学的更大图景，量子色动力学是强核力的场论
她研究的问题包括夸克和胶子如何形成物质的原子核，以及质子如何用帕顿分布函数来描述，“帕顿”通常指的是夸克和胶子
“我们实验的特殊之处在于在自旋极化的固定目标上使用自旋极化粒子束，”里德尔说
“通过在形式主义中引入横向夸克动量、自旋和轨道角动量，质子子结构变得和氢原子的子结构一样丰富，氢原子的子结构在20世纪30年代首次被描述，”她补充道
“在21世纪的最初几十年里，质子超精细结构已经成为自旋物理学家关注的焦点
" 不屈不挠的好奇心驱动着她的工作
“人类一直都很好奇，想找出是什么将世界维系在一起，”里德尔说
“我们试图解开日常生活中物体质量的起源，并绘制质子的动态夸克结构图
"
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