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Thursday, April 22, 2021

सुपर कंप्यूटर एड साइंटिस्ट्स स्टडी क्वार्क्स, यूनिवर्स में सबसे छोटे कण

ड्यूटेरॉन इलस्ट्रेशन

ड्यूटेरॉन की यह छवि एक प्रोटॉन की बाध्य स्थिति को लाल रंग में और एक न्यूट्रॉन को नीले रंग में दिखाती है। क्रेडिट: एंडी स्प्रोल्स / ओआरएनएल, यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी

1930 के दशक के बाद से, वैज्ञानिक कण त्वरक का उपयोग कर रहे हैं ताकि पदार्थ की संरचना और भौतिकी के नियमों में अंतर्दृष्टि प्राप्त की जा सके जो हमारी दुनिया को नियंत्रित करते हैं। ये त्वरक उपलब्ध सबसे शक्तिशाली प्रायोगिक औजारों में से कुछ हैं, जो कणों को प्रकाश की गति तक पहुँचाते हैं और फिर उन्हें टकराते हुए भौतिकविदों को परिणामी अंतःक्रियाओं और कणों का अध्ययन करने की अनुमति देते हैं।

कई सबसे बड़े कण त्वरक हैड्रोन की समझ प्रदान करने का लक्ष्य रखते हैं – प्रोटॉन या न्यूट्रॉन जैसे उप-परमाणु कण जो क्वार्क नामक दो या अधिक कणों से बने होते हैं। क्वार्क्स ब्रह्मांड के सबसे छोटे कणों में से हैं, और वे केवल भिन्नात्मक विद्युत आवेश को वहन करते हैं। वैज्ञानिकों का एक अच्छा विचार है कि क्वार्क्स हर्डन कैसे बनाते हैं, लेकिन व्यक्तिगत क्वार्क के गुणों को छेड़ना मुश्किल है क्योंकि वे अपने संबंधित हैड्रोन के बाहर नहीं देखे जा सकते हैं।

ऊर्जा विभाग के ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी विभाग में रखे गए शिखर सम्मेलन का उपयोग करते हुए थॉमस जेफरसन नेशनल एक्सेलेरेटर सुविधा में कोस्टस ऑरगिनोस के नेतृत्व में परमाणु भौतिकविदों की एक टीम और विलियम एंड मैरी ने हैड्रॉन में क्वार्क इंटरैक्शन को मापने के लिए एक आशाजनक तरीका विकसित किया है और इसे लागू किया है करीब-करीब भौतिक द्रव्यमान वाले क्वार्क का उपयोग करके सिमुलेशन करने की विधि। सिमुलेशन को पूरा करने के लिए, टीम ने एक शक्तिशाली कम्प्यूटेशनल तकनीक का उपयोग किया, जिसे लैटिस क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स, या एलक्यूसीडी कहा जाता है, जिसे शिखर सम्मेलन की शक्ति, राष्ट्र के सबसे तेज सुपर कंप्यूटर के साथ जोड़ा जाता है। में परिणाम प्रकाशित किए गए थे शारीरिक समीक्षा पत्र

“आमतौर पर, वैज्ञानिकों ने क्वार्कों की ऊर्जा और गति का एक अंश ही जाना है जब वे एक प्रोटॉन में होते हैं,” जो कार्पी, पोस्टडॉक्टोरल अनुसंधान वैज्ञानिक ने कहा कोलम्बिया विश्वविद्यालय और कागज पर अग्रणी लेखक। “यह उन्हें संभावना नहीं बताता है कि क्वार्क एक अलग तरह के क्वार्क या कण में बदल सकता है। जबकि पिछली गणना गणना को गति देने में मदद करने के लिए कृत्रिम रूप से बड़े द्रव्यमान पर निर्भर थी, अब हम भौतिक द्रव्यमान के बहुत करीब से इनका अनुकरण करने में सक्षम हो गए हैं, और हम इस सैद्धांतिक ज्ञान को उप-विषयक पदार्थों के बारे में बेहतर पूर्वानुमान बनाने के लिए प्रयोगात्मक डेटा पर लागू कर सकते हैं। ”

टीम की गणना डीओई के आगामी इलेक्ट्रॉन-आयन कोलाइडर, या ईआईसी, ब्रुकहैवेन नेशनल लेबोरेटरी या बीएनएल में बनाए जाने वाले एक कण कोलेजन पर किए गए प्रयोगों को पूरक करेगी, जो कि प्रोटॉन के अंदर उप-परमाणु कणों को वितरित किए जाने के विस्तृत स्थानिक और गति के 3 डी नक्शे प्रदान करेगा। ।

व्यक्तिगत क्वार्क के गुणों को समझने से वैज्ञानिकों को यह अनुमान लगाने में मदद मिल सकती है कि जब क्वार्क हिग्स बोसोन के साथ संपर्क करेगा तब क्या होगा, एक प्राथमिक कण जो हिग्स क्षेत्र से जुड़ा होता है, कण भौतिकी सिद्धांत में एक क्षेत्र जो द्रव्यमान देता है जो इसके साथ सहभागिता करता है। इस विधि का उपयोग वैज्ञानिकों को कमजोर बल द्वारा संचालित होने वाली घटनाओं को समझने में मदद करने के लिए भी किया जा सकता है, जो रेडियोधर्मी क्षय के लिए जिम्मेदार है।

सबसे छोटे तराजू पर सिमुलेशन

क्वार्कों के संचालन की एक सटीक तस्वीर को चित्रित करने के लिए, वैज्ञानिकों को आमतौर पर उनके संबंधित प्रोटॉन के अंदर क्वार्क के गुणों का औसत होना चाहिए। BNL में सापेक्ष भारी हेयोन कोलाइडर पर लोगों की तरह कोलाइडर प्रयोगों के परिणामों का उपयोग करना सर्न या डीओई के आगामी ईआईसी, वे क्वार्क की ऊर्जा और गति का एक अंश निकाल सकते हैं।

लेकिन यह अनुमान लगाते हुए कि हिग्स बोसोन जैसे कणों के साथ क्वार्क कितनी बातचीत करते हैं और क्वार्क ऊर्जा और क्षण के पूर्ण वितरण की गणना कण भौतिकी में लंबे समय से चुनौती बनी हुई है।

बैलिंट जोओ हाल ही में लैब के ओक रिज लीडरशिप कंप्यूटिंग सुविधा, डीओई ऑफिस ऑफ़ साइंस उपयोगकर्ता की सुविधा में कर्मचारियों के साथ शामिल हुए। इस समस्या से निपटने के लिए, Joó ने lattice QCD और NVIDIA के QUDA लाइब्रेरी के लिए Chroma सॉफ्टवेयर सूट का रुख किया। जाली क्यूसीडी वैज्ञानिकों को क्वार्क और ग्लून्स का अध्ययन करने की क्षमता देता है – प्राथमिक गोंद जैसे कण जो क्वार्कों को एक साथ पकड़ते हैं – एक कंप्यूटर पर एक ग्रिड या एक जाली के रूप में अंतरिक्ष-समय का प्रतिनिधित्व करके, जिस पर क्वार्क और ग्लूऑन फ़ील्ड तैयार किए जाते हैं। Chroma और QUDA (CUDA पर QCD के लिए) का उपयोग करते हुए, Joó ने स्पेस-टाइम के एक क्यूब में मजबूत-बल क्षेत्र के स्नैपशॉट उत्पन्न किए, जो स्नैप में वैक्यूम कर रहे थे, उसका वर्णन करने के लिए स्नैपशॉट का भार उठाते हैं। तब टीम के अन्य सदस्यों ने इन स्नैपशॉट्स को लिया और अनुकरण किया कि क्वार्क के रूप में मजबूत बल क्षेत्र के माध्यम से क्या होगा।

“यदि आप इस क्षेत्र में एक क्वार्क छोड़ते हैं, तो यह उसी तरह प्रचारित करेगा कि कैसे एक विद्युत क्षेत्र में एक विद्युत आवेश को छोड़ने से क्षेत्र के माध्यम से बिजली का प्रसार होता है।”

सिद्धांत और प्रयोग कार्यक्रम पर डीओई के अभिनव और उपन्यास कम्प्यूटेशनल प्रभाव से कम्प्यूटेशनल समय के अनुदान के साथ-साथ उन्नत कम्प्यूटिंग कार्यक्रम और एक्सैस्केल कम्प्यूटिंग प्रोजेक्ट के माध्यम से वैज्ञानिक खोज से समर्थन, टीम ने प्रचारक गणना की और उन्हें शिखर सम्मेलन का उपयोग करके उत्पन्न करने के लिए शिखर सम्मेलन का उपयोग किया। अंतिम कण जो वे तब से परिणाम निकालने के लिए उपयोग कर सकते थे।

“हम सेट करते हैं जो हमारे सिमुलेशन में नंगे क्वार्क जनता और क्वार्क-ग्लोन युग्मन के रूप में जाना जाता है,” जोओ ने कहा। “वास्तविक क्वार्क जनता, जो इन नंगे मूल्यों से उत्पन्न होती है, को सिमुलेशन से गणना करने की आवश्यकता होती है – उदाहरण के लिए, कुछ गणना कणों के मूल्यों की तुलना उनके वास्तविक-विश्व समकक्षों से की जाती है, जो प्रयोगात्मक रूप से ज्ञात हैं।”

शारीरिक प्रयोगों से आकर्षित होकर, टीम को पता था कि वे सबसे हल्के भौतिक कणों का अनुकरण कर रहे थे – जिन्हें पाई मेसन, या पियोन कहा जाता है – जिसमें लगभग 140 मेगाएलेट्रॉन वोल्ट या मेव का द्रव्यमान होना चाहिए। टीम की गणना 358 MeV से 172 MeV तक होती है, जो कि प्राणियों के प्रयोगात्मक द्रव्यमान के करीब है।

सिमुलेशन को शिखर सम्मेलन की शक्ति की आवश्यकता थी क्योंकि टीम को उत्पन्न होने वाले वैक्यूम स्नैपशॉट की संख्या और उन पर गणना करने के लिए आवश्यक क्वार्क प्रचारकों की संख्या की आवश्यकता थी। भौतिक क्वार्क द्रव्यमान पर परिणामों का अनुमान लगाने के लिए, गणना की आवश्यकता होती है, जो क्वार्क के तीन अलग-अलग द्रव्यमानों पर की जाती है और भौतिक एक के अतिरिक्त होती है। कुल मिलाकर, टीम ने 32 से लेकर अक्षांशों के साथ क्यूब्स में तीन अलग-अलग क्वार्क मास पर 1,000 से अधिक स्नैपशॉट का उपयोग किया से 64 तक अंतरिक्ष में अंक।

“सिमुलेशन में क्वार्क के द्रव्यमान जितने करीब हैं, वास्तविकता में उतना ही कठिन है,” करपी ने कहा। “क्वार्क जितने हल्के होते हैं, उतने ही पुनरावृत्तियों की हमारे विलायकों में आवश्यकता होती है, इसलिए भौतिक क्वार्क जन को प्राप्त करना QCD में एक बड़ी चुनौती रही है।”

एल्गोरिथम अग्रिम नए अवसर लाते हैं

जोओ, जो 2007 से ओएलसीएफ सिस्टम पर क्रोमा कोड का उपयोग कर रहे हैं, ने कहा कि वर्षों में एल्गोरिदम में सुधार ने भौतिक द्रव्यमान पर सिमुलेशन चलाने की क्षमता में योगदान दिया है।

“मल्टीग्रिड सॉल्वर जैसे एल्गोरिदम में सुधार और क्यूयूडीए जैसे कुशल सॉफ़्टवेयर पुस्तकालयों में उनके कार्यान्वयन, हार्डवेयर के साथ मिलकर जो उन्हें निष्पादित कर सकते हैं, इस प्रकार के सिमुलेशन संभव हैं,” उन्होंने कहा।

हालाँकि, Chroma उसका ब्रेड-और-बटर कोड है, लेकिन Joó ने कहा कि कोड विकास में प्रगति कण भौतिकी में नई चुनौती समस्याओं को लक्षित करने के अवसर प्रदान करती रहेगी।

“इन सभी वर्षों में इसी कोड के साथ काम करने के बावजूद, नई चीजें अभी भी हुड के तहत होती हैं,” उन्होंने कहा। “हमेशा नई चुनौतियां होंगी क्योंकि हमेशा नई मशीनें, नए जीपीयू और नए तरीके होंगे जिनका हम फायदा उठा सकेंगे।”

भविष्य के अध्ययन में, टीम ने ग्लून्स का पता लगाने के साथ-साथ इसके विभिन्न घटकों के साथ प्रोटॉन की एक पूर्ण 3 डी छवि प्राप्त करने की योजना बनाई है।

संदर्भ: “लाटिस गणना से आईऑफ़ टाइम स्यूडोडिस्टिविज़न से पार्टन डिस्ट्रीब्यूशन फ़ंक्शंस: बैलिंट जोआ, जोसेफ कार्पी, कोस्टास ओरगिनोस, अनातोली वी। रेडियुस्किन, डेविड जी। रिचर्ड्स और सवास ज़ाफिय्रोपोलोस, 1 दिसंबर 2020, द्वारा भौतिक बिंदु को स्वीकार करना”। शारीरिक समीक्षा पत्र
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.232003

यह शोध डीओई के विज्ञान कार्यालय द्वारा वित्त पोषित किया गया था।

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