Supercomputadora estudia la transición de las formas de materia de normal a extraordinaria

Los cálculos, unidos a los datos experimentales, ayudan a crear un mapa del diagrama de fase nuclear, lo que aporta conocimiento sobre la transisción que imita la formación de la materia hoy visible en el universo

Para tener una mejor comprensión de la sopa subatómica que llenaba el universo en sus inicios, y cómo se «congeló» para formar los átomos del mundo actual, los científicos están dando una mirada más cercana al diagrama de fase nuclear. Como un mapa que describe cómo se metamorfosea el estado físico del agua que se hace hielo sólido, o de líquido a vapor con los cambios en la temperatura y la presión, los mapas de diagrama de fases nucleares describen diferentes fases de los componentes de los núcleos atómicos, a partir de los quarks libres y gluones que existían en la noche de los tiempos a las agrupaciones de protones y neutrones que forman los núcleos de los átomos de hoy.

Pero «fusionar» átomos y sus bloques de construcción subatómicas es mucho más difícil que tomar un cubo de hielo del congelador en un día caluroso. Se requieren grandes aceleradores de partículas como el Colisionador Relativista de Iones Pesados (Relativistic Heavy Ion Collider), un servicio para usuarios científicos de física nuclear en el Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía (DOE) de EEUU, para aplastar núcleos atómicos casi a la velocidad de la luz, y detectores sofisticados y potentes superordenadores para ayudar a los físicos a dar sentido a lo que se obtiene de salida. Estudiando los restos de la colisión y comparando las observaciones experimentales con las predicciones de los complejos cálculos, los físicos de Brookhaven están trazando puntos específicos en el diagrama de fase nuclear que revelan detalles de esta extraordinaria transición, y otras características de la materia creada en el RHIC.

Para trazar los puntos clave en los que ocurre la transición, los científicos están buscando grandes fluctuaciones en el excedente de ciertos tipos de partículas que se producen de colisión a colisión (por ejemplo, más protones que antiprotones, o más partículas positivas versus partículas cargadas negativamente).

«Al máximo de energía en el RHIC, en el que sabemos que, en esencia, hemos «fundido» los protones y los neutrones para producir un plasma de quarks y gluones, similares a los que existían hace unos 13.800 millones años atrás, se producen casi la misma cantidad de protones y antiprotones», dijo Frithjof Karsch, físico teórico que está haciendo el mapa de este nuevo terreno. «Pero a medida que vamos a energías más bajas, donde se produce una densa sopa de quarks, esperamos ver más protones que antiprotones, con la cantidad de exceso de protones fluctuando de colisión a colisión.»

Observando millones de eventos de colisión en un amplio rango de energías —en esencia llevando a cabo una exploración del haz de energía— los detectores del RHIC pueden recoger las fluctuaciones como señales probables de la transición. Pero no pueden medir con precisión las temperaturas o las densidades a las que se producen las fluctuaciones: los datos que se requieren para trazar puntos en el mapa de diagrama de fase.

«Ahí es donde llegan las supercomputadoras», dice Karsch.

Las supercomputadoras pueden simular los tipos de fluctuaciones que se esperan para el amplio rango de temperaturas y densidades en el RHIC. Comienzan modelar matemáticamente todas las posibles interacciones de quarks y gluones subatómicos regidas por la teoría de la cromodinámica cuántica, o QCD, que incluye variables como la temperatura y la densidad en las ecuaciones.

Debido a que la cantidad de valores para estas y muchas otras variables en las ecuaciones de la QCD es muy grande, sólo las supercomputadoras pueden manejar los complejos cálculos. Para simplificar el problema, las computadoras observan las interacciones de quarks y gluones ubicados en puntos discretos en un «entramado» imaginario de cuatro dimensiones que representa las tres dimensiones espaciales más el tiempo. El entramadoa consta de alrededor de 300.000 puntos de cuadrícula, y en cada punto se deben ajustar los valores de 48 variables para caracterizar una configuración específica de los quarks y gluones que interactúan. Las supercomputadoras utilizan un muestreo Monte Carlo, probando más o menos números aleatorios, como cuando se lanza un par de dados, para encontrar la configuración más probable de estos valores.

«Pero hay muchas de esas configuraciones y tenemos que estudiar todas para permitir las muchas maneras posibles en que pueden interactuar los quarks y los gluones», dice Karsch, líder del grupo QCD del entramado de física nuclear en Brookhaven y director de un «programa de asociación de investigación científica por medio de computación avanzada» (3-SciDAC), patrocinado por el Departamento de Energía de EEUU: «Computando Propiedades de Hadrones, Núcleos y Materia Nuclear desde la Cromodinámica Cuántica».

Para construir estas configuraciones de entramado QCD, los científicos utilizaron supercomputadoras Blue Gene del Centro de Ciencias de la Computación del Estado de Nueva York, en Brookhaven, así como dos nuevos bastidores prototipo de supercomputadoras Blue Gene/Q en Brookhaven y en el Centro de Investigación RIKEN/BNL, un centro fundado y financiado por el laboratorio japonés RIKEN en un acuerdo de cooperación con Brookhaven. Las máquinas lograron resultados de más de 10.000 de estas configuraciones más probables para cada temperatura.

Entonces, los científicos cargaron las configuraciones de entramado en un tipo diferente de superorcomputadora: el conjunto Unidad de Procesamiento gráfico (GPU) gestionado el consorcio de la celosía QCD con base en EEUU, llamado USQCD, en el Thomas Jefferson Accelerator Laboratory del DOE, y otro conjunto GPU en la Universidad de Bielefeld en Alemania.

«Los GPUs son los tipos de equipos que se inventaron para que los videojuegos», dijo el físico teórico Swagato Mukherjee de Brookhaven, quien coordinó las simulaciones y análisis. «Tienen procesadores muy rápidos que pueden realizar muchas operaciones simultáneas y dibujan cada píxel a la vez. Eso es lo que se necesita para ver gráficos en movimiento rápido, pero también es muy útil para estos complejos problemas de física en los que necesitamos realizar muchas operaciones repetitivas simultáneas en cada una de las configuraciones guardadas de los valores para el cálculo de las fluctuaciones de la cantidad de exceso de partículas».

Los científicos utilizaron 800 GPU en el Jefferson Lab y en la Universidad de Bielefeld para analizar sus 10.000 configuraciones más probables a cada temperatura, y calcularon las fluctuaciones de las cantidades de exceso de partículas para diversas combinaciones de temperatura y densidad relevantes en las colisiones en el RHIC. Al hacer coincidir las fluctuaciones reales medidas en las colisiones del RHIC a una determinada energía del haz con los valores calculados, podrían utilizar los cálculos supercomputedados para identificar la temperatura y la densidad en las que se produjeron dichas fluctuaciones: las coordenadas que se necesitaban para marcar un punto en el mapa de diagrama de fases.

La reiteración del proceso para muchos valores medidos experimentalmente de fluctuaciones en el amplio rango de energías del haz disponibles en el RHIC está ayudando a los científicos a trazar la línea en el mapa que muestra cómo cambia la transición desde la sopa de quarks a materia ordinaria con la temperatura y la densidad. Estos estudios revelan las condiciones en que la transición es abrupta, con una línea divisoria clara entre las fases como las distintas formas del agua, líquida y vapor (una transición de fase de primer orden), y donde es suave y continua sin distintas fases, como ellos esperan debe ser el caso a las más altas energías del RHIC. Pueden incluso identificar si hay un «punto crítico», la temperatura específica y la densidad a la que el tipo de de transición pasa de continua a abrupta.

«Si se encuentra, esto sería definir el punto de partida de una estructura de fases más rica en densidades más altas y temperaturas más bajas», dijo Karsch. «La existencia de un ‘punto crítico’ es un requisito previo para la existencia de muchas fases exóticas de la materia nuclear que puedan existir en el seno de los objetos estelares compactos, como las estrellas de neutrones, lo que es encontrar una manera de que el RHIC nos dé acceso al estudio de estas formas exóticas de la materia de una manera controlable con nuestros experimentos».

Para estar seguro de sus hallazgos y explorar otros aspectos del plasma de quark-gluón, los científicos están utilizando el mismo enfoque para estudiar las fluctuaciones en el exceso de cantidad de partículas que contienen quarks «extraños», más pesados.

«Los diferentes hadrones, estados de tres quarks ligados, o un par quark y un antiquark, pueden derretirse a diferentes temperaturas», dijo Karsch. «Tenemos que mostrar que sucede dentro de un rango muy estrecho de temperatura para los diferentes tipos de partículas, para identificar el punto crítico.»

El análisis de quarks extraños ha revelado que, al igual que los protones y los neutrones ordinarios constituidos por quarks arriba y abajo, más ligeros, los hadrones que contienen los quarks extraños pesados también se funden en la misma región de temperatura. En este análisis, los científicos también han encontrado que a las temperaturas alcanzadas en las mejores energías del RHIC, los quarks extraños permanecen interactuando fuertemente, incluso dentro de la sopa de quarks y gluones, una evidencia de la naturaleza fuertemente unida del fluido casi perfecto creado en el RHIC .

El grupo de entramado QCD en Brookhaven se prepara ahora para una nueva ronda de simulaciones. El plan consiste en utilizar un nuevo software desarrollado bajo el programa de asociación SciDAC-3 y los recursos informáticos aplicados por USQCD a través del programa Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE) del Departamento de Energía, e, idealmente, en el superordenador más grande del mundo, TITAN, en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge , que combina más de 18.000 GPUs.

Con ese poder de procesamiento analizando los datos existentes y las futuras colisiones en el RHIC, los científicos continuarán ajustando la búsqueda de puntos de referencia en el diagrama de fases nucleares y ampliando nuestra comprensión de cómo la materia del universo se ha transformado en la materia de nuestro mundo cotidiano familiar.

Los análisis de supercomputación de datos de QCD y RHIC son financiados por la Oficina de Ciencia del DOE.

La Oficina de Ciencia del DOE es el mayor defensor de la investigación básica en las ciencias físicas en los Estados Unidos, y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más urgentes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite science.energy.gov

Fuente: Physorg y otros sitios. Aportado por Eduardo J. Carletti

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