1、充分利用先进的计算资源

利用超级计算机的力量来更好地了解原子核内部隐藏的世界，这一领域最近取得了进步。由美国能源部(DOE)托马斯·杰斐逊国家加速器设施(Thomas Jefferson National Accelerator Facility)牵头的高级计算科学发现(SciDAC)项目，是DOE划拨3500万美元赠款的三个项目之一。每个获得资助的项目都是DOE的核物理(NP)和高级科学计算研究(ASCR)项目之间的联合项目，也是SciDAC的合作项目。随着超级计算机越来越强大，科学家需要先进的工具来充分利用它们的能力。

例如，美国能源部橡树岭国家实验室的橡树岭领导力计算设施(OLCF)现在拥有世界上第一台公开的超大型计算机。该公司的Frontier超级计算机每秒可执行十亿次计算，实现了1 exaFLOPS的性能。罗伯特·爱德华兹表示：“核物理学是解释可见物质起源的一个丰富、多样和令人兴奋的研究领域。在核物理学中，高性能计算是我们解开宇宙中核物质起源的关键工具。”爱德华兹是杰斐逊实验室理论和计算物理中心的高级职员科学家和副组长，也是这三个项目之一的首席研究员。他的项目“百亿亿及更高级别的基础核物理”将为核物理学家解决有关可见宇宙构建块的关键问题奠定坚实的软件资源基础。该项目旨在帮助核物理学家解决有关粒子基本性质的问题，例如无处不在的质子。爱德华兹解释道：“我们希望有一天能回答的一个关键研究问题是，粒子质量的起源是什么，它的自旋起源是什么，以及稠密粒子系统的新特性是什么?”。这项耗资1300万美元的项目，包括DOE六个国家实验室和两所大学的关键科学家，包括杰斐逊实验室、阿贡国家实验室、布鲁克黑文国家实验室、橡树岭国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室、麻省理工学院和威廉玛丽大学。它旨在优化计算量子色动力学(QCD)所需的软件工具。QCD是一种描述质子和中子(构成原子核的粒子)结构的理论，同时也为帮助构建宇宙的其他粒子提供了见解。质子是由称为夸克的较小粒子构成的，这些粒子由一种强力胶结合在一起，表现为胶子粒子。尚不清楚的是，质子的性质是如何由夸克和胶子产生的。他说：“证据表明夸克的质量非常小，只有1%。其余都来自胶水。那么，胶水在内部结构中起什么作用呢?”2、亚原子宇宙建模

超级计算机计算的目标是模拟夸克和胶子，以计算机可以计算的方式用微小尺度体验真实世界。为了做到这一点，核物理学家首先使用超级计算机生成质子内部环境的快照，这些粒子在质子内部生存，模拟计算。然后，他们在数学上加入一些夸克和胶子，并使用超级计算机来预测它们之间的相互作用。通过对数千张快照进行平均，物理学家可以模拟粒子在现实世界中的状态。这些计算结果将为今天在杰斐逊实验室的连续电子束加速器设施(CEBAF)和布鲁克黑文实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)进行的实验提供数据输入。CEBAF和RHIC都是DOE科学办公室的用户设施。爱德华兹补充道：“虽然我们没有将这项建议建立在未来电子离子对撞机的要求之上，但我们现在正在努力解决的许多问题，例如代码基础设施和方法，将影响EIC。”

该项目将采用多管齐下的方法，帮助简化这些计算，以便更好地在超级计算机上使用，同时也为更强大的机器上线做好准备。

前两种方法涉及到夸克和胶子在宇宙中的小部分的产生。研究人员的目标是通过使用升级的软件简化过程，并使用软件将这一过程分解为更小的计算块，从而使计算机更容易完成这项任务。该项目的第二部分将引入机器学习，看看是否可以通过额外的计算机建模来改进现有算法。第三种方法是探索和测试新的计算技术，以模拟夸克和胶子在计算机生成的宇宙中的相互作用。第四个也是最后一个方法将收集的所有信息，开始对它们进行缩放，以用于下一代超级计算机。DOE授予的所有三个SciDAC项目都跨越了核物理研究的领域。这些项目共同解决了有关核物质性质的基本问题，包括核的性质、核结构、核子成像，以及发现夸克和胶子的奇异状态。“SciDAC合作项目部署了高性能计算，并在我们的核物理设施中实现了世界领先的科学发现，”美国能源部NP科学副主任蒂莫西·霍尔曼表示。DOE宣布的总资金包括3500万美元，为期五年，2022财年为720万美元，年度外资金取决于国会拨款。