Un programa informático determinista de física de partículas corre el riesgo de quedar obsoleto

Visto recientemente un compañero físico de partículas habla sobre un cálculo que llevó a nuevas alturas de precisión. Su instrumento. Un programa de computadora de la década de 1980 llamado FORM.

Los físicos de partículas utilizan las ecuaciones más largas de toda la ciencia. Por ejemplo, para buscar signos de nuevas partículas elementales en colisiones en el Gran Colisionador de Hadrones, dibujan miles de imágenes, llamadas diagramas de Feynman, que representan los posibles resultados de una colisión, cada una de las cuales codifica una fórmula compleja que puede tener millones de términos. . Es imposible resumir tales fórmulas con lápiz y papel. incluso agregarlos con computadoras es un desafío. Las reglas de álgebra que aprendemos en la escuela son lo suficientemente rápidas para la tarea, pero lamentablemente ineficientes para la física de partículas.

Los programas llamados sistemas de álgebra computacional buscan resolver estos problemas. Y si desea resolver las ecuaciones más grandes del mundo, un programa se ha destacado durante 33 años: SHAPE.

Desarrollado por un físico de partículas holandés En José VermasFORM es una parte clave de la infraestructura de física de partículas requerida para los cálculos más desafiantes. Sin embargo, como ocurre con muchas partes sorprendentemente importantes de la infraestructura digital, el mantenimiento de FORM depende en gran medida de una sola persona: el propio Vermaseren. Y a la edad de 73 años, comenzó a retirarse del desarrollo de FORM. Debido a la estructura de incentivos de la academia, que otorga premios por trabajos publicados en lugar de herramientas de software, no ha surgido ningún sucesor. Si la situación no cambia, la física de partículas tendrá que reducir drásticamente su velocidad.

FORM comenzó a mediados de la década de 1980, cuando el papel de las computadoras estaba cambiando rápidamente. Su predecesor, un programa llamado Schoonchip, creado por Martinus Veltman, fue lanzado como un chip especializado que se conectaba al costado de una computadora Atari. Vermaseren quería crear un programa más accesible que las universidades de todo el mundo pudieran descargar. Comenzó a programarlo en el lenguaje informático FORTRAN, que significa traducción de fórmulas. El nombre FORM fue un riff en eso. (Más tarde cambió a un lenguaje de programación llamado C). Vermaseren lanzó su software en 1989. A principios de los 90, más de 200 instituciones en todo el mundo lo habían descargado y el número siguió creciendo.

Desde el año 2000, en promedio, un artículo de física de partículas citado por FORM se ha publicado cada pocos días. «Mayoria [high-precision] los resultados que ha obtenido nuestro grupo en los últimos 20 años dependen en gran medida del código FORM”, dijo Tomás alemánProfesor de la Universidad de Zúrich.

Parte de la popularidad de FORM proviene de algoritmos especializados desarrollados a lo largo de los años, como un truco para multiplicar rápidamente partes de un diagrama de Feynman y un procedimiento para reorganizar ecuaciones para tener la menor cantidad posible de multiplicaciones y sumas. Pero la ventaja más antigua y poderosa de FORM es cómo administra la memoria.

Así como los humanos tenemos dos tipos de memoria: a corto y largo plazo, las computadoras tienen dos tipos: principal y externa. La memoria principal, la RAM de su computadora, es de fácil acceso inmediato, pero tiene un tamaño limitado. Los dispositivos de almacenamiento externo, como discos duros y unidades de estado sólido, almacenan mucha más información pero son más lentos. Para resolver una ecuación larga, debe almacenarla en la memoria principal para que pueda trabajar con ella fácilmente.

En los años 80, ambos tipos de memoria estaban limitados. «FORM se creó en un momento en que casi no había memoria ni espacio en disco; básicamente no había nada», dijo. Ben Ruail, ex alumno de Vermaseren y desarrollador de FORM que ahora es investigador postdoctoral en el Instituto Federal de Tecnología de Zúrich, Suiza. Este fue un desafío. las ecuaciones eran demasiado largas para la memoria principal. Para calcular uno, su sistema operativo tendría que tratar su disco duro como si también fuera memoria principal. El sistema operativo, sin saber qué tan grande sería su ecuación, almacenaría los datos en una colección de «páginas» en el disco duro, cambiando entre ellas con frecuencia a medida que se necesitaran diferentes partes, un proceso ineficiente llamado intercambio.

FORM pasa por alto el intercambio y utiliza su propia técnica. Cuando trabaja con una ecuación en FORMATO, el programa asigna una cierta cantidad de espacio en el disco duro para cada término. Esta técnica permite que el software rastree más fácilmente la ubicación de las partes de la ecuación. También facilita la recuperación de esos fragmentos a la memoria principal cuando se necesitan sin acceder al resto.

La memoria ha crecido desde los primeros días de FORM, de 128 kilobytes de RAM en un Atari 130XE en 1985 a 128 gigabytes de RAM en mi escritorio mejorado, una mejora de un millón de veces. Pero los trucos desarrollados por Vermaseren siguen siendo cruciales. A medida que los físicos de partículas filtran petabytes de datos del Gran Colisionador de Hadrones para buscar evidencia de nuevas partículas, crece su necesidad de precisión y, por lo tanto, la longitud de las ecuaciones.