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Terascale Simulations in Quantum Chromodynamics: Enabling Scientific Discoveries

Explore the role of Quantum Chromodynamics in strong interactions through terascale simulations, enhancing understanding of physical phenomena. Utilizing advanced computing for research in supernovae, hadron physics, and more.

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Terascale Simulations in Quantum Chromodynamics: Enabling Scientific Discoveries

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Presentation Transcript

  1. The goal of our research is to obtain a quantitative understanding of the physical phenomena encompassed by quantum chromodynamics (QCD), the fundamental theory governing the strong interactions. Achievement of this goal requires terascale numerical simulations. The SciDAC Program is enabling U.S. theoretical physicists to develop the software and prototype the hardware they need to carry out these simulations. National Infrastructure for Lattice Gauge Computing Advanced Computing for 21st Century Accelerator Science and Technology Shedding New Light on Exploding Stars: Terascale Simulations of Neutrino-Driven Supernovae and Their Nucleosynthesis SciDAC Center for Supernova Research Découvertes avec des Téraflops Programme SciDAC aux USA Scientific Discoveries through Advanced Computing Modélisation environnement dangereux Systèmes complexes (accélérateurs,…) P. Roudeau QCD sur réseau (La Colle sur Loup)

  2. LQCD-France Groupe de théoriciens actifs et reconnus dans la communauté internationale LQCD LQCD est important (indispensable?) pour théoriciens et expérimentateurs concernés par les interactions fortes. Moyens de calculs insuffisants pour participer au nouveau challenges de cette discipline Scientific Discoveries through Advanced Computing Environnement dangereux Systèmes complexes (accélérateurs,…) Info besoins (2002) Workshop Avril 2004 (théoriciens, exp., experts internationaux) Diverses actions depuis ……. QCD sur réseau (La Colle sur Loup)

  3. QCD QCD est une théorie extrêmement élégante… et complexe On ne sait effectuer des calculs, relativement précis, que dans des domaines particuliers (gd. transfert). Tous les domaines où QCD se manifeste sous la forme de champs en interaction forte nécessitent l’utilisation des méthodes de calcul sur réseau. SU(3), 1 cste de couplage, mq QCD sur réseau (La Colle sur Loup)

  4. Propriétés de LQCD C’est la « vraie » QCD Actuellement limitée par les algorithmes et la technologie On peut étudier des situations physiques avec des valeurs non-physiques (masses des quarks, nb. de saveurs, processus, …) • Objectif: comprendre la structure et les interactions • des hadrons à partir du Lagrangien de QCD • Calcul d’observables expérimentales • Comprendre comment QCD « fonctionne » QCD sur réseau (La Colle sur Loup)

  5. Quelques domaines où interviennent ces calculs • Physique hadronique • Masses des hadrons • Etats exotiques • Fonctions de structure et de spin des hadrons • Autres • SUSY, univers primordial • Gravité quantique • Verres de spin, turbulence • Contacts: protéines, chimie quantique Physique des particules Masses des quarks Structure du vide de QCD Constante de couplage (αs) Physique nucléaire Diagramme de phases de la matière hadronique Physique nucléaire ab-initio Ref: F. Wilczek (Prix Nobel 2004) « Opportunities, challenges and Fantasies in Lattice QCD »  hep-ph/0212041 QCD sur réseau (La Colle sur Loup)

  6. Besoins de multi-Téraflops • Jusqu’à récemment: Précision limitée par l’approximation du quenching (qui n’inclut pas les effets des quarks de la mer) • Actuellement Développement des algorithmes et des puissances de calcul qui permettent d’inclure les effets dus aux quarks de la mer (cependant les masses simulées de ces quarks sont encore nettement supérieures aux masses physiques des quarks u et d) • Contraintes: • Maille fine (limite du continu, échelle à courte distance) • Grand volume (quarks légers, pion physique) Incertitudes ?? • Tailles: • Maille<0.1 Fm • L(~1/ mπ): 4 Fm • 403x100 (qq 100 de config.) (mπ~200 MeV) Incertitudes contrôlées Coût~mq-4.5 ~mπ-9 QCD sur réseau (La Colle sur Loup)

  7. Violation de CP standard? Actuellement, LQCD a un impact similaire à celui des usines à B et pour un coût moindre Sin(2β)=0.704 ± 0.047 Sin(2β)=0.726 ± 0.037 But (2006-2007): incertitudes venant de LQCD similaires aux autres sources (cf: S. Sharpe, Orsay Workshop on lattice QCD)  Machines de 10-100 Tflops soutenus QCD sur réseau (La Colle sur Loup)

  8. Masses des quarks Paramètres fondamentaux (au même titre que celles des neutrinos) Reliées aux éléments de la matrice CKM via de la Nouvelle Physique? Spectre extrêmement riche allant de quelques MeV à 200 GeV Difficile d’obtenir les valeurs des masses mu, md et ms hors LQCD. ms(2 GeV)|tau =(120±20) MeV QCD sur réseau (La Colle sur Loup)

  9. Physique hadronique • Comparaison entre calculs, à partir du Lagrangien de QCD, et résultats expt. (masses, fonctions de structure, spin des hadrons, ….) • [APEX, A4, COMPASS, G0, JLAB,…H1, D0, LHC] • Comprendre comment QCD fonctionne (dépendance en Nc, Nf, masses des quarks, instantons, effet de corde, GPD) • Calculs avec quarks dynamiques indispensables. • Valider des modèles phénoménologiques et des théories effective (détermination de paramètres: chiraux ou développements en 1/m ) QCD sur réseau (La Colle sur Loup)

  10. Physique hadronique Candidats « glueballs »? Aucun fermement établi expt. Résonance de Roper Modèle de quarks: mN<mN* <mN’ Expt: 939 1535 1440 QCD sur réseau (La Colle sur Loup)

  11. Physique hadronique hep-lat/0404005 q légers indispensables Spin du proton Fonction de structure 0.2 0.4 0.6 0.8 QCD sur réseau (La Colle sur Loup)

  12. Plasma quarks-gluons hep-lat/0010027 [RHIC, ALICE] • Approx. quenched: Tc=270 MeV, • transition de phase du 1er ordre • Calculs unquenched: Tc=170 MeV, • transition de phase? Études encore limitées à des π « lourds » QCD sur réseau (La Colle sur Loup)

  13. Plasma quarks-gluons Équation d’état en présence de baryons nf=2, 163x4, mPS/ mV=0.7 μ=0 pSB/ T4 ~4,06 q plus légers, réseaux plus grands, indispensables hep-lat/0408046 QCD sur réseau (La Colle sur Loup)

  14. Autres aspects (physique des particules) • Univers primordial: baryon/anti-baryon, reliques du plasma q-g? • Gravité quantique • SUSY QCD sur réseau (La Colle sur Loup)

  15. Le chaînon manquant! accélérateur détecteur calculateur LQCD QCD sur réseau (La Colle sur Loup)

  16. Équipements en cours USA Programme SciDAC 10 Tflops (QCDOC à Brookhaven en 2004) 10 Tflops de cluster de PC en 2006 à Fermilab et à Jlab (actuellement clusters de qq centaines de Gflops) Europe Royaume-Uni: 12 Tflops (QCDOC à Edimbourg) Italie (5 Tflops + 5 Tflops en 2005 apeNEXT à Rome ) Allemagne (5 Tflops apeNEXT à Bielefeld + demande similaire à DESY-Zeuthen, 5 Tflops cluster de PC à Wuppertal) CERN projet d’un cluster de PC de 200 Gflops France?? (qq diz. de Gflops actuellement) 1/300 QCD sur réseau (La Colle sur Loup)

  17. apeNEXT 16x1,6 Gflops Prix à l’issue d’un appel d’offres: 0,554 Euro/Mflops 1 Mflop soutenu ~ 1 Euro (apeNEXT, QCDOC) ~ 4 Euros (cluster PC) QCD sur réseau (La Colle sur Loup)

  18. apeNEXT 32 cartes= 0,8 Tflops QCD sur réseau (La Colle sur Loup)

  19. Demande pour LQCD en France(O. Pène [SPM], P. Roudeau [IN2P3]) • 3 Tflops apeNEXT • installés à l’université Roma 1(La Sapienza) • Puissance en rapport avec la taille de la communauté française, comparée à celle des autres pays • Participation aux développements vers des puissances plus élevées • Cadre européen (l’installation de Rome devient un centre Européen) • Budget envisagé • 2005 1,8 MEuros (achat apeNEXT, commande fin 2004) • 2006 0,3 MEuros (fonctionnement + R&D) • 2007 1,0 MEuros (upgrade du système + R&D) • 2008 1,0 MEuros (upgrade du système+ R&D) • 2009 0,5 Meuros (R&D + prototype) • 2010 1,6 MEuros (?) (achat nouvelle génération) QCD sur réseau (La Colle sur Loup)

  20. Expérimentateurs/ThéoriciensGDR LQCD Calculer Mesurer Futures machines et algorithmes Autres secteurs que QCD (Univers primordial,..) Autres disciplines Contacter: Jaume Carbonell carbonel@lpsc.in2p3.fr QCD sur réseau (La Colle sur Loup)

  21. C’est le bon moment! QCD sur réseau (La Colle sur Loup)

  22. Surplus QCD sur réseau (La Colle sur Loup)

  23. <1% Exp. 2% 30% 6% 4% Violation de CP standard? En 2010 cotés angles But: incertitudes venant de LQCD similaires aux autres sources (cf: S. Sharpe, Orsay Workshop on lattice QCD)  Machines de 10-100 Tflops soutenus QCD sur réseau (La Colle sur Loup)

  24. Saveurs au futur Résultats nouveaux de LQCD attendus: B, fB, facteurs de forme (Entrée en production de plusieurs centres) Mesures dédiées aux usines à c- et b- (validation) (fD, Dπ/K l υ) On s’attend à réduire les incertitudes au niveau de 1 à qq. % (pas 1/1000) Conséquences? QCD sur réseau (La Colle sur Loup)

  25. Équipements en cours USA Programme SciDAC 10 Tflops (QCDOC à Brookhaven en 2004) 10 Tflops de cluster de PC en 2006 à Fermilab et à Jlab (actuellement clusters de qq centaines de Gflops) Europe Royaume-Uni: 12 Tflops (QCDOC à Edimbourg) Italie (5 Tflops + 5 Tflops en 2005 apeNEXT à Rome ) Allemagne (5 Tflops apeNEXT à Bielefeld + demande similaire à DESY-Zeuthen, 5 Tflops cluster de PC à Wuppertal) CERN projet d’un cluster de PC de 200 Gflops France?? (qq diz. de Gflops actuellement) ~10 Tflops/300 QCD sur réseau (La Colle sur Loup)

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