N

ajwiększy na świecie superkomputer (stan na listopad 2014) MilkyWay-2 w Guangzhou w Chinach składa się z 3 120 000 rdzeni obliczeniowych i zużywa 18 MW mocy elektrycznej. Trzy największe europejskie superkomputery (Piz Daint w Szwajcarii oraz JUQUEEN i SuperMuc w Niemczech) potrzebują w sumie 8 MW, aby zasilić 730 000 rdzeni. W języku wielkości z życia codziennego takie ilości prądu odpowiadałyby zużyciu chińskiego miasta ze 100 tys. mieszkańców, jeśli chodzi o superkomputer MilkyWay-2, oraz niemieckiego miasta z 20 tys. mieszkańców, porównując sumę Piz Daint, JUQUEEN i SuperMuc.

Do czego naukowcy wykorzystują takie zasoby? 30% czasu obliczeniowego zabierają symulacje związane z teoretyczną fizyką cząstek elementarnych, których idea została zaproponowana przez noblistę Kennetha Wilsona w 1963 r. Są to zagadnienia, którym poświęcam główną część mojej pracy badawczej.

Metody Monte Carlo są jedynymi znanymi obecnie metodami umożliwiającymi obliczanie przewidywań chromodynamiki kwantowej przy pełnej kontroli wszystkich niepewności. Dzięki temu pozwalają na wiarygodne porównanie wyników teoretycznych z wynikami eksperymentów przeprowadzanych w takich ośrodkach jak CERN, FermiLab, DESY czy BNL. Dlatego też podejście do kwantowej teorii pola poprzez symulacje Monte Carlo stało się w ciągu 40 lat swojej historii uznanym działem fizyki cząstek elementarnych, przy okazji znacząco stymulując rozwój superkomputerów. Wiodącą rolę w tej dziedzinie, zrzeszającej obecnie około 600 aktywnych naukowców, grają Stany Zjednoczone, Niemcy i Japonia. W Polsce obliczenia tego typu, choć kluczowe w fizyce cząstek elementarnych, prowadzone są jedynie przez wąskie grono kilku naukowców.

W erze fizyki cząstek elementarnych, w której wszystkie cząstki postulowane przez Model Standardowy zostały już odkryte, kluczowym zadaniem stało się rzetelne oszacowanie i zmniejszenie wszystkich niepewności składających się na błąd ostatecznego wyniku, zarówno eksperymentalnego, jak i teoretycznego.

Przykładem, który dobrze ilustruje to stwierdzenie, są obliczenia własności mezonów B, w których biorę udział. Uważa się, że niektóre ze „złotych kanałów”, mogących prowadzić do odkrycia Nowej Fizyki, znajdują się w sektorze Modelu Standardowego, opisującego oddziaływania ciężkich kwarków. Poprzez porównanie przewidywań teoretycznych z pomiarem eksperymentalnym możliwe jest nie tylko precyzyjne wyznaczenie wartości wolnych parametrów Modelu Standardowego, lecz także przekonanie się, czy Model Standardowy poprawnie opisuje takie obserwable, tzn. czy nie brakuje jakiejś Nowej Fizyki potrzebnej do wytłumaczenia ewentualnej niezgodności.

Pracę nad zagadnieniami związanymi z symulacjami Monte Carlo ciężkich kwarków rozpocząłem podczas 2,5-rocznego pobytu w ośrodku DESY w Zeuthen w Niemczech, gdzie badania prowadzi jedna z największych na świecie grup zajmujących się tego typu obliczeniami. Przez kolejne pół roku kontynuowałem moje badania na Uniwersytecie Columbia, gdzie dzięki stypendium Fulbrighta miałem możliwość współpracować z naukowcami z Brookhaven National Laboratory i Uniwersytetu Southampton w Wielkiej Brytanii.

W mojej pracy staram się wyjść poza ramy fizyki: zajmowałem się optymalizacją algorytmów dla dużych symulacji Monte Carlo, jak również dostosowaniem kodów komputerowych do architektur nowych superkomputerów, takich jak komercyjnie dostępny IBM BlueGene Q. Obecnie biorę udział w pracach prowadzonych na Uniwersytecie w Ratyzbonie nad konstrukcją i oprogramowaniem prototypu superkomputera QPACE II, który ma szanse zostać najbardziej energooszczędnym superkomputerem na świecie.

Dr Piotr Korcyl, fizyk z Uniwersytetu Jagiellońskiego, obecnie pracuje na Uniwersytecie w Ratyzbonie. Laureat III nagrody w konkursie „Skomplikowane i proste” 2010.