لقد اكتشف الفيزيائيون كيفية "تسخير" البروتون. لماذا هذا مهم للعلم والمستقبل؟

على الرغم من حجمها الصغير، فإن البروتونات مهمة للغاية. وهي تقع في مركز كل ذرة فيها

الكون وتلعب دورًا حاسمًا في واحدة من أقوى التفاعلات في الطبيعة. ومع ذلك، لا يزال الكثير عن طبيعتها غير معروف.

ما هو البروتون؟

البروتون هو أحد الجسيمات الأولية الثلاثةالتي بنيت المادة العادية. البروتونات جزء من النوى الذرية. هو الرقم التسلسلي للعنصر الكيميائي في الجدول الدوري والذي يساوي عدد البروتونات الموجودة في نواته. يشكل البروتون، مع النيوترون، جزءًا من جميع النوى الذرية، ويحدد حجم شحنتها الكهربائية.

مثل معظم الجزيئات،البروتونات لها دوران يعمل مثل المغناطيس الصغير. قد يبدو تغيير دوران أو قطبية البروتون بمثابة خيال علمي، لأنه في الواقع يؤثر على كل شيء في الكون. إلا أنها أساس التقدم التكنولوجي الذي أصبح جزءا لا يتجزأ من حياتنا اليومية. وبفضل دراسة دوران البروتون، أصبح لدى الناس تقنيات مثل التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، وهي أداة تشخيصية طبية لا تقدر بثمن. وعلى الرغم من هذه الإنجازات، فإن البنية الداخلية للبروتون لا تزال لغزا.

لماذا هذا مهم؟

في الأساس كل شيء حولنا موجودبفضل البروتونات. ومع ذلك، ما زلنا لا نعرف الكثير عنهم. أحد الألغاز الضخمة التي يريد العلماء حلها هو دوران البروتون. السر الثاني هو وقت حياته، وقد كتب Hi-Tech عن هذا في وقت سابق.

فهم كيف ولماذا يدورسيؤدي البروتون إلى تقدم تكنولوجي يبدو الآن غير واقعي. كما أنه سيساعد العلماء على فهم القوة القوية، وهي الخاصية الأساسية التي تمنح جميع البروتونات، وبالتالي الذرات، الكتلة.

إنهم يدعمون الكون: كيف تعمل القوى الأساسية الأربعة للطبيعة

ما المشكلة؟

التناوب ليس من السهل أن نفهم.المشكلة ليست بهذه البساطة. أولاً، لا يمكنك ببساطة أخذ بروتون ووضعه في طبق بيتري. كما تعلمون، فإن الروتونات صغيرة بشكل غير مفهوم - نصف قطرها بالكاد يصل إلى كوادريليون من المتر، ويمر الضوء المرئي من خلالها. علاوة على ذلك، فإنه من المستحيل فحص دواخلها باستخدام أقوى المجاهر الإلكترونية في العالم.

ومع ذلك، فإن مؤلفي الدراسة الجديدة يقتربون أكثرالعلماء لحل لغز البروتون المتشابك. تم العمل على المشروع من قبل أعضاء مجموعة H1 Collaboration، وهي مجموعة دولية تضم حاليًا 150 عالمًا من 50 مؤسسة و15 دولة. يقع المقر الرئيسي للمشروع في مركز الأبحاث الوطني DESY في ألمانيا. يقوم مؤلف الدراسة الجديدة بتطوير خوارزميات التعلم الآلي لتسريع تحليل البيانات التي تم جمعها باستخدام أقوى مصادم الإلكترون والبروتونات في العالم، HERA. عملت في DESY من عام 1992 إلى عام 2007.

تشتت HERA مصادم الإلكترون والبروتون والإلكترونات والبروتونات تقترب من سرعة الضوء. اصطدمت الجسيمات وجهاً لوجه ، الأمر الذي يمكن أن يكسر البروتون إلى أجزائه المكونة: الكواركات (تظهر على شكل كرات خضراء وأرجوانية في الرسم التوضيحي أعلاه) وغلوونات (تظهر على شكل ملفات سوداء). الصورة: DESY

توقف H1 عن جمع البياناتفي عام 2007 عندما تم إخراج HERA من التشغيل. ومع ذلك، لا يزال موظفو التعاون يقومون بتحليل البيانات ونشر النتائج في المجلات العلمية.

ماذا فعل العلماء؟

عند استخدام الطرق الحسابية التقليديةقد يستغرق الأمر عامًا أو أكثر لقياس الكميات المتعلقة ببنية البروتون والقوة الشديدة، مثل عدد الجسيمات التي يتم إنتاجها عندما يصطدم البروتون بالإلكترون. وإذا أراد أي فيزيائي أن يدرس كمية أخرى، على سبيل المثال، سرعة الجسيمات في أعقاب تدفق كوارك-غلوون، فسيتعين عليه أن يبدأ العملية الحسابية الطويلة من جديد وينتظر سنة أخرى.

ولحل المشكلة استخدم العلماءالتعلم الآلي. يمكن لأداة جديدة تعتمد على تقنية OmniFold قياس كميات متعددة في وقت واحد. يؤدي هذا في النهاية إلى تقليل وقت التحليل من عدة سنوات إلى دقائق.

كيف يعمل؟

يعمل OmniFold أثناء الاستخدام في نفس الوقتالشبكات العصبية للجمع بين المحاكاة الحاسوبية والبيانات. باختصار، الشبكة العصبية هي أداة للتعلم الآلي تعالج البيانات المعقدة التي لا يستطيع العلماء القيام بها يدويًا.

منظر لنفق هيرا. الصورة: DESY

وكان مؤلفو الدراسة الجديدة أول من استخدمهاوصل OmniFold إلى البيانات التجريبية لـ H1 ونشر النتائج في مجلة Physical Review Letters، وقدم مؤخرًا نتائجه في مؤتمر التشتت العميق غير المرن (DIS) لعام 2022.

مساعدة الحاسوب العملاق

لتطوير OmniFold واختبارهنظرًا لقدرته على العمل مع بيانات H1، نشر الفيزيائيون حاسوبًا فائقًا جديدًا، Perlmutter، مصممًا لدعم عمليات المحاكاة وتحليل البيانات وتجارب الذكاء الاصطناعي التي تتطلب الاستخدام المتزامن لوحدات معالجة الرسومات المتعددة. تم الانتهاء من تطويره في عام 2021.

الحاسوب العملاق بيرلماتر، والذي يحمل إسمتكريماً لعالم الكونيات في مختبر بيركلي والحائز على جائزة نوبل شاول بيرلماتر، فهو مزود بـ 128 معالج رسوميات تعمل في وقت واحد.

Центральная задача вычислений — учет искажений детектора. Детектор H1 следит за частицами, но когда они пролетают «вокруг», а не через него, это может искажать данные.

Раньше одновременная коррекция всех искажений لم يكن ممكنا بسبب الأساليب الحسابية المحدودة. لقد تطور فهم الفيزياء دون الذرية وتقنيات تحليل البيانات منذ عام 2007. والآن يمكن للعلماء استخدام رؤى جديدة لتحليل بيانات H1.

ما التالي؟

اليوم، جدد الفيزيائيون الاهتماملتجارب HERA مع الجسيمات. ويأملون في استخدام البيانات - ونمذجة حاسوبية أكثر دقة تعتمد على أدوات مثل OmniFold - لتحليل نتائج تجارب الإلكترون والبروتون المستقبلية، مثل الجيل التالي من مصادم الإلكترون والأيونات (EIC). .

سيتم بناؤه في Brookhaven Nationalمختبر بالشراكة مع مجمع توماس جيفرسون الوطني للتسريع. ستكون "آلة" قوية ومتعددة الاستخدامات ستصطدم حزم الإلكترونات المستقطبة عالية الطاقة بمجموعة واسعة من الأيونات (أو الذرات المشحونة)، بما في ذلك البروتونات المستقطبة وبعض الأيونات المستقطبة.

كما لاحظ مطورو OmniFold، في يوم من الأيامستساعد هذه الطريقة العلماء في الإجابة على الأسئلة المتبقية حول القوة القوية. "على الرغم من أن هذا العمل قد لا يؤدي إلى تطبيقات عملية في المستقبل القريب، إلا أن فهم العناصر الأساسية للطبيعة مهم للغاية. إذا لم نقم بالبحث الآن، فلن نعرف أبدًا ما هي التطورات التكنولوجية الجديدة والمثيرة التي ستفيد المجتمعات المستقبلية.

قراءة المزيد:

أكد علماء الآثار رسمياً الأساطير من الكتاب المقدس

اتضح ما يحدث لخلايا الجسم عند موت القلب

تم اختراق إشارة Starlink لاستخدامها كبديل لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS)