Un importante programa informático de física de partículas está en peligro de quedar obsoleto

recientemente miré un físico de partículas habló de un cálculo que había llevado a un nuevo nivel de precisión. ¿Sus herramientas? Un programa de computadora de la década de 1980 llamado FORM.

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

Los programas llamados sistemas de álgebra computacional tienen como objetivo manejar estas tareas. Y si desea resolver las ecuaciones más grandes del mundo, un programa se ha destacado durante 33 años: FORM.

Desarrollado por un físico de partículas holandés si vermaserenFORM es una parte clave de la infraestructura de física de partículas, esencial para los cálculos más difíciles. Sin embargo, como sorprendentemente con muchas partes esenciales de la infraestructura digital, el mantenimiento de FORM es en gran medida responsabilidad de una persona: el mismo Vermaseren. Y a la edad de 73 años, comenzó a retirarse del desarrollo de FORM. Debido a la estructura de incentivos académicos que recompensa los artículos publicados, no las herramientas de software, no ha nacido 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 Schoonschip creado por Martinus Veltman, fue lanzado como un chip especial que se conectaba al costado de una computadora Atari. Vermaseren quería hacer un programa más fácil 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 de todo el mundo lo habían descargado y el número seguía creciendo.

Desde el año 2000, se ha publicado en promedio cada pocos días un artículo de física de partículas que cita a FORMI. “El más [high-precision] los resultados que obtuvo nuestro grupo en los últimos 20 años se basaron en gran medida en el código FORM”, dijo Tomas GehrmannProfesor de la Universidad de Zúrich.

Parte de la popularidad de FORM provino de algoritmos especiales desarrollados a lo largo de los años, como un truco para multiplicar rápidamente ciertas partes del diagrama de Feynman y un procedimiento para reorganizar las ecuaciones para que haya la menor cantidad posible de multiplicaciones y sumas. Pero la ventaja más antigua y poderosa de FORM es cómo maneja la memoria.

Así como los humanos tenemos dos tipos de memoria, a corto y largo plazo, las computadoras tienen dos tipos: memoria principal y externa. La memoria principal, la RAM de su computadora, es fácil de usar sobre la marcha, pero tiene un tamaño limitado. Los dispositivos de almacenamiento externo, como los discos duros y las unidades de estado sólido, contienen muchos más datos, pero son más lentos. Para resolver una ecuación larga, debe almacenarla en la memoria principal para poder manipularla 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 nada”, dijo ben ruijl, ex alumno de Vermaseren y desarrollador de FORM, que ahora es becario postdoctoral en el Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zúrich. Esto presentó un desafío: las ecuaciones eran demasiado largas para que la memoria principal las manejara. Para calcularlo, su sistema operativo tuvo que tratar su disco duro como si también fuera memoria principal. Un sistema operativo que no supiera qué tan grande estaba esperando su ecuación almacenaría los datos en el disco duro en una colección de “páginas”, alternando frecuentemente entre ellas cuando se necesitaran diferentes partes, un proceso ineficiente llamado intercambio.

FORM se salta el cambio y utiliza su propia tecnología. Cuando trabaja con una ecuación en FORMATO, el programa asigna una cantidad fija de espacio en el disco duro para cada término. Esta técnica permite que el software realice un seguimiento más fácil de dónde están las partes de la ecuación. También facilita la devolución de estas partes a la memoria principal cuando sea necesario sin acceder a las demás.

La memoria ha crecido desde los primeros días de FORM, de 128 kilobytes de RAM en el Atari 130XE en 1985 a 128 gigabytes de RAM en mi escritorio ampliado: una mejora de un millón de veces. Pero los trucos desarrollados por Vermaseren siguen siendo decisivos. A medida que los físicos de partículas recopilan 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 sus ecuaciones.