Badania nad fuzją jądrową przyspieszą. Pomógł ślad po błysku

Mniej obliczeń, więcej użytecznych informacji

Badacze pokazali sposób, który w testach pozwalał wykonywać wybrane symulacje nawet 50 razy szybciej. Może to pomóc w analizie eksperymentów dotyczących fuzji jądrowej, wnętrz planet i ekstremalnych stanów materii. Nowa procedura znacząco usprawnia skomplikowane symulacje komputerowe potrzebne do analizy materii w bardzo trudnych warunkach.

Badania nad fuzją jądrową: robią gwiazdę w laboratorium

Zacznijmy od początku. Materię można spotkać w ekstremalnych stanach w gwiazdach, podczas gwałtownych procesów kosmicznych, a także we wnętrzach gazowych olbrzymów, gdzie panują ogromne temperatury i wysokie ciśnienie. Takie warunki można na krótko odtworzyć również na Ziemi, w laboratorium, między innymi podczas eksperymentów dotyczących laserowej fuzji jądrowej.

Właśnie dlatego fizycy próbują badać materię w warunkach zbyt gorących, zbyt gęstych i zbyt krótkotrwałych, by można je było po prostu „obejrzeć”. Dzięki takim eksperymentom da się lepiej zrozumieć procesy zachodzące w kosmosie i sprawdzić, jak zachowuje się materia.

Dane z eksperymentu to dopiero początek

Zwykle badacze wykorzystują do tego rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego. Promieniowanie trafia w próbkę, a sposób, w jaki się rozprasza, niesie informację o temperaturze, gęstości i zachowaniu cząstek. Problem w tym, że same dane pomiarowe często nie wystarczają, aby jednoznacznie określić, co dzieje się wewnątrz materii. Sygnał bywa niepełny, trudny do odczytania i podatny na różne interpretacje.

Dlatego potrzebne są symulacje komputerowe. To one pozwalają zbudować modele teoretyczne i porównać je z wynikiem eksperymentu. Dopiero wtedy można próbować odczytać, jaka naprawdę była temperatura próbki, jakie panowało w niej ciśnienie i jak zachowywały się elektrony. Aby zrozumieć procesy zachodzące w ekstremalnych stanach materii, trzeba wiedzieć, jakie realne warunki panowały w badanej próbce.

Symulacje zjadały czas superkomputerów

Do tej pory fizycy często stawali przed trudnym wyborem. Mogli użyć prostszych modeli, które działały szybko, ale zostawiały zbyt wiele w sferze domysłów. Albo sięgnąć po narzędzia znacznie dokładniejsze, lecz tak wymagające, że potrafiły pochłaniać ogromnie długi czas pracy superkomputerów.

Jednym z najdokładniejszych podejść jest TDDFT, czyli czasowo-zależna teoria funkcjonału gęstości. W praktyce pozwala śledzić reakcję elektronów, gdy materia zostaje gwałtownie wybita ze stanu równowagi. Tyle że im wyższa temperatura, tym więcej stanów kwantowych trzeba uwzględnić. Symulacja staje się cięższa, wolniejsza i coraz bardziej podatna na szum numeryczny. A on w takim badaniu może przykryć najważniejszy ślad po eksperymencie.

Nowa metoda odróżnia sygnał od szumu

Sednem przełomu w badaniach nad fuzją jądrową opublikowanych w czasopiśmie naukowym Nature nie jest zwiększenie mocy obliczeniowej. Chodzi o inteligentniejsze wykorzystanie danych, które powstają w trakcie symulacji.

Kluczem jest filtrowanie informacji mających rzeczywiste znaczenie fizyczne i oddzielanie ich od szumu generowanego przez proces obliczeniowy. Co ważne, taki „przesiew” ma zachować subtelne detale sygnału, bo niosą najważniejsze informacje o badanych procesach.

Obliczenia nawet 50 razy szybciej

Testy nowej metody przyniosły bardzo wyraźny efekt. Wybrane symulacje działały nawet pięćdziesiąt razy szybciej niż wcześniej. Dla badaczy oznacza to możliwość przeanalizowania większej liczby scenariuszy i dokładniejszego porównania modeli z wynikami eksperymentów bez konieczności drastycznego zwiększania wykorzystania superkomputerów.

Fuzja, planety i wnętrza gwiazd

Międzynarodowy zespół naukowców wykazał również, że sama jakość analiz także uległa wyraźnemu poprawieniu. Nic więc dziwnego, że metoda przynosząca tak dobre efekty ma już swoje przeznaczenie. W przyszłości przyczyni się do stworzenia elektrowni fuzyjnej, będzie stosowana w European XFEL pod Hamburgiem. To tam znajduje się jedno z najbardziej zaawansowanych źródeł promieniowania rentgenowskiego na świecie. Dzięki temu naukowcy z dużą dokładnością odtworzą warunki, które panują w trakcie procesów fuzyjnych i we wnętrzach gwiazd oraz planet.

Metoda może też pomóc przy obliczaniu właściwości materii, takich jak pochłanianie promieniowania czy przewodnictwo elektryczne. Autorzy badania nad fuzją jądrową liczą, że w kolejnych latach procedura może rozwinąć się w jedno z podstawowych narzędzi do analizy ekstremalnych stanów materii.

Warto przeczytać: Co mają ze sobą wspólnego majonez i fuzja jądrowa? Więcej niż myślisz