På trods af deres lille størrelse er protoner utrolig vigtige. De er placeret i midten af hvert atom i
Hvad er en proton?
En proton er en af de tre elementarpartiklerhvilket almindeligt stof er bygget. Protoner er en del af atomkerner. Det er serienummeret på et kemisk grundstof i det periodiske system, der er lig med antallet af protoner i dets kerne. Sammen med neutronen er protonen en del af alle atomkerner, der bestemmer størrelsen af dens elektriske ladning.
Ligesom de fleste partikler,Protoner har et spin, der fungerer som små magneter. Ændring af spin eller polaritet af en proton kan virke som science fiction - fordi det faktisk påvirker alt i universet. Det er dog grundlaget for teknologiske gennembrud, der er blevet en integreret del af vores dagligdag. Takket være studiet af protonspin har mennesker teknologier som magnetisk resonansbilleddannelse (MRI), et uvurderligt medicinsk diagnostisk værktøj. På trods af sådanne præstationer forbliver protonens indre struktur et mysterium.
Hvorfor er dette vigtigt?
Grundlæggende eksisterer alt omkring ostakket være protoner. Og alligevel ved vi stadig ikke meget om dem. Et af de store mysterier, som forskerne ønsker at løse, er protonens rotation. Den anden hemmelighed er hans livs tid, skrev Hi-Tech om dette tidligere.
Forstå hvordan og hvorfor det rotererProtonen vil føre til teknologiske fremskridt, der nu virker urealistiske. Det vil også hjælpe videnskabsmænd med at forstå den stærke kraft, den grundlæggende egenskab, der giver alle protoner, og derfor atomer, masse.
De støtter universet: hvordan de fire vigtigste kræfter i naturen fungerer
Hvad er problemet?
Rotation er ikke let at forstå.problemet er ikke så enkelt. For det første kan du ikke bare tage en proton og placere den i en petriskål. Som du ved, er rotoner ubegribeligt små - deres radius når knap en kvadrilliontedel af en meter, og synligt lys passerer lige igennem dem. Desuden er det umuligt at undersøge deres indre ved hjælp af verdens kraftigste elektronmikroskoper.
Forfatterne af den nye undersøgelse kommer dog tættere påvidenskabsmænd til at løse dette sammenfiltrede protonmysterium. Projektet blev arbejdet på af medlemmer af H1 Collaboration, en international gruppe, der i øjeblikket omfatter 150 videnskabsmænd fra 50 institutioner og 15 lande. Projektets hovedkvarter er baseret på det nationale forskningscenter DESY i Tyskland. Forfatteren af det nye studie udvikler maskinlæringsalgoritmer for at fremskynde analysen af data indsamlet ved hjælp af verdens mest kraftfulde elektron-proton-kollider, HERA. Hun arbejdede hos DESY fra 1992 til 2007.
Elektron-proton kollideren HERA spredt ogelektroner og protoner næsten til lysets hastighed. Partiklerne stødte frontalt sammen, hvilket kunne bryde protonen i dens bestanddele: kvarker (vist som grønne og lilla kugler i illustrationen ovenfor) og gluoner (vist som sorte spoler). Billede: DESY
H1 ophørte med at indsamle datai 2007 da HERA blev taget ud af drift. Samarbejdsmedarbejdere er dog stadig i gang med at analysere dataene og offentliggøre resultaterne i videnskabelige tidsskrifter.
Hvad har forskerne gjort?
Ved brug af konventionelle beregningsmetoderDet kan tage et år eller mere at måle mængder relateret til protonstruktur og den stærke kraft, såsom hvor mange partikler der produceres, når en proton kolliderer med en elektron. Og hvis en fysiker ønsker at studere en anden mængde, for eksempel partiklernes hastighed i kølvandet på en kvark-gluon-stråle, bliver han nødt til at starte den lange beregningsproces forfra og vente endnu et år.
For at løse problemet brugte videnskabsmændmaskinlæring. Et nyt instrument baseret på denne OmniFold-teknologi kan måle flere mængder samtidigt. Dette reducerer i sidste ende analysetiden fra flere år til minutter.
Hvordan virker det?
OmniFold fungerer, mens den bruges samtidigtneurale netværk til at kombinere computersimuleringer med data. For at opsummere er et neuralt netværk et maskinlæringsværktøj, der behandler komplekse data, som videnskabsmænd ikke kan gøre manuelt.
Udsigt over HERA-tunnelen. Foto: DESY
Forfatterne til den nye undersøgelse var de første til at brugeOmniFold fik adgang til H1-eksperimentelle data og offentliggjorde resultaterne i tidsskriftet Physical Review Letters og præsenterede senest deres resultater på 2022 Deep Inelastic Scattering (DIS) Conference.
Supercomputer hjælp
At udvikle OmniFold og teste detevnen til at arbejde med H1-data, implementerede fysikere en ny supercomputer, Perlmutter, designet til at understøtte simuleringer, dataanalyse og kunstig intelligens-eksperimenter, der kræver samtidig brug af flere GPU'er. Dens udvikling blev afsluttet i 2021.
Perlmutter supercomputeren, som er navngivettil ære for Berkeley Labs kosmolog og nobelprisvinder Saul Perlmutter er den udstyret med 128 grafikprocessorer, der fungerer samtidigt.
Den centrale opgave med beregninger er at tage højde for detektorforvrængninger. H1-detektoren sporer partikler, men når de flyver "rundt" i stedet for gennem den, kan den skæve dataene.
Tidligere samtidig korrektion af alle forvrængningervar ikke muligt på grund af begrænsede beregningsmetoder. Forståelsen af subatomær fysik og dataanalyseteknikker har udviklet sig siden 2007. Og nu kan forskere bruge ny indsigt til at analysere H1-data.
Hvad er næste?
I dag har fysikere fornyet interessetil HERA-eksperimenter med partikler. De håber at bruge dataene - og mere nøjagtig computermodellering baseret på værktøjer som OmniFold - til at analysere resultaterne af fremtidige elektron-proton-eksperimenter, såsom næste generation af Energy Collider, EIC. .
Det vil blive bygget på Brookhaven Nationallaboratoriet i samarbejde med Thomas Jefferson National Accelerator Complex. Det vil være en kraftfuld og alsidig "maskine", der vil kollidere stråler af højenergi polariserede elektroner med en bred vifte af ioner (eller ladede atomer), herunder polariserede protoner og nogle polariserede ioner.
Som OmniFold-udviklerne bemærkede, blev de en dagMetoden vil hjælpe videnskabsmænd med at besvare stadig tilbageværende spørgsmål om den stærke kraft. “Selvom dette arbejde måske ikke fører til praktiske anvendelser i den nærmeste fremtid, er det meget vigtigt at forstå naturens byggesten. Hvis vi ikke forsker nu, vil vi aldrig vide, hvilke spændende nye teknologiske fremskridt der vil gavne fremtidige samfund,” konkluderer forskerne.
Læs mere:
Arkæologer har officielt bekræftet legenderne fra Bibelen
Det viste sig, hvad der sker med kroppens celler, når hjertet dør
Starlink-signal hacket til at blive brugt som et alternativ til GPS