Trotz ihrer geringen Größe sind Protonen unglaublich wichtig. Sie befinden sich im Zentrum jedes Atoms
Was ist ein Proton?
Ein Proton ist eines der drei Elementarteilchenwelche gewöhnliche Materie aufgebaut ist. Protonen sind Bestandteile von Atomkernen. Es ist die Seriennummer eines chemischen Elements im Periodensystem, die der Anzahl der Protonen in seinem Kern entspricht. Zusammen mit dem Neutron ist das Proton Teil aller Atomkerne und bestimmt die Größe seiner elektrischen Ladung.
Wie die meisten TeilchenProtonen haben einen Spin, der wie winzige Magnete wirkt. Die Änderung des Spins oder der Polarität eines Protons mag wie Science-Fiction erscheinen – denn tatsächlich hat sie Auswirkungen auf alles im Universum. Es ist jedoch die Grundlage technologischer Durchbrüche, die zu einem festen Bestandteil unseres täglichen Lebens geworden sind. Dank der Erforschung des Protonenspins verfügen die Menschen über Technologien wie die Magnetresonanztomographie (MRT), ein unschätzbar wertvolles medizinisches Diagnoseinstrument. Trotz dieser Erfolge bleibt die innere Struktur des Protons ein Rätsel.
Warum ist das wichtig?
Im Grunde existiert alles um uns herumDank Protonen. Und doch wissen wir immer noch nicht viel über sie. Eines der großen Rätsel, das Wissenschaftler lösen wollen, ist die Rotation des Protons. Das zweite Geheimnis ist die Zeit seines Lebens, darüber hat Hi-Tech bereits geschrieben.
Verstehen, wie und warum es sich drehtDas Proton wird zu technologischen Fortschritten führen, die heute unrealistisch erscheinen. Es wird Wissenschaftlern auch helfen, die starke Kraft zu verstehen, die grundlegende Eigenschaft, die allen Protonen und damit Atomen Masse verleiht.
Sie unterstützen das Universum: wie die vier Hauptkräfte der Natur wirken
Was ist das Problem?
Rotation ist nicht leicht zu verstehen.das Problem ist nicht so einfach. Erstens kann man nicht einfach ein Proton nehmen und es in eine Petrischale geben. Wie Sie wissen, sind Rotonen unvorstellbar klein – ihr Radius erreicht kaum einen Billiardstel Meter und sichtbares Licht geht direkt durch sie hindurch. Darüber hinaus ist es unmöglich, ihr Inneres mit den leistungsstärksten Elektronenmikroskopen der Welt zu untersuchen.
Doch die Autoren der neuen Studie kommen näherWissenschaftlern gelingt es, dieses verworrene Protonen-Rätsel zu lösen. Das Projekt wurde von Mitgliedern der H1 Collaboration bearbeitet, einer internationalen Gruppe, der derzeit 150 Wissenschaftler aus 50 Institutionen und 15 Ländern angehören. Der Hauptsitz des Projekts ist das nationale Forschungszentrum DESY in Deutschland. Der Autor der neuen Studie entwickelt Algorithmen für maschinelles Lernen, um die Analyse der mit dem weltweit leistungsstärksten Elektron-Protonen-Kollider HERA gesammelten Daten zu beschleunigen. Sie arbeitete von 1992 bis 2007 bei DESY.
Elektron-Protonen-Collider HERA zerstreut undElektronen und Protonen fast auf Lichtgeschwindigkeit. Die Teilchen kollidierten frontal, wodurch das Proton in seine Bestandteile zerlegt werden konnte: Quarks (in der Abbildung oben als grüne und violette Kugeln dargestellt) und Gluonen (als schwarze Spiralen dargestellt). Bild: DESY
H1 hat die Datenerfassung eingestelltim Jahr 2007, als HERA außer Betrieb genommen wurde. Allerdings analysieren die Mitarbeiter der Zusammenarbeit die Daten noch immer und veröffentlichen die Ergebnisse in wissenschaftlichen Fachzeitschriften.
Was haben die Wissenschaftler getan?
Bei Verwendung herkömmlicher RechenmethodenEs kann ein Jahr oder länger dauern, Größen zu messen, die mit der Protonenstruktur und der starken Kraft zusammenhängen, etwa wie viele Teilchen entstehen, wenn ein Proton mit einem Elektron kollidiert. Und wenn ein Physiker eine andere Größe untersuchen möchte, beispielsweise die Geschwindigkeit von Teilchen im Kielwasser eines Quark-Gluon-Jets, muss er den langen Rechenprozess von vorne beginnen und ein weiteres Jahr warten.
Um das Problem zu lösen, verwendeten Wissenschaftlermaschinelles Lernen. Ein neues Instrument, das auf dieser OmniFold-Technologie basiert, kann mehrere Mengen gleichzeitig messen. Dies reduziert letztendlich die Analysezeit von mehreren Jahren auf Minuten.
Wie funktioniert das?
OmniFold funktioniert bei gleichzeitiger VerwendungNeuronale Netze zur Verknüpfung von Computersimulationen mit Daten. Um es noch einmal zusammenzufassen: Ein neuronales Netzwerk ist ein Werkzeug für maschinelles Lernen, das komplexe Daten verarbeitet, die Wissenschaftler manuell nicht verarbeiten können.
Blick auf den HERA-Tunnel. Foto: DESY
Die Autoren der neuen Studie waren die ersten, die es nutztenOmniFold hat auf die H1-Versuchsdaten zugegriffen und die Ergebnisse in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. Zuletzt präsentierte OmniFold seine Ergebnisse auf der Deep Inelastic Scattering (DIS)-Konferenz 2022.
Supercomputer-Hilfe
OmniFold entwickeln und testenUm mit H1-Daten arbeiten zu können, setzten Physiker einen neuen Supercomputer, Perlmutter, ein, der Simulationen, Datenanalysen und Experimente mit künstlicher Intelligenz unterstützen soll, die die gleichzeitige Verwendung mehrerer GPUs erfordern. Die Entwicklung wurde im Jahr 2021 abgeschlossen.
Der Perlmutter-Supercomputer, der seinen Namen trägtZu Ehren des Berkeley Lab-Kosmologen und Nobelpreisträgers Saul Perlmutter ist es mit 128 gleichzeitig arbeitenden Grafikprozessoren ausgestattet.
Zentrale Aufgabe der Berechnungen ist die Berücksichtigung von Detektorverzerrungen. Der H1-Detektor verfolgt Partikel, aber wenn sie „umherfliegen“ und nicht durch ihn hindurch, kann dies die Daten verfälschen.
Bisher gleichzeitige Korrektur aller Verzerrungenwar aufgrund begrenzter Rechenmethoden nicht möglich. Das Verständnis der subatomaren Physik und Datenanalysetechniken hat sich seit 2007 weiterentwickelt. Und jetzt können Wissenschaftler neue Erkenntnisse nutzen, um H1-Daten zu analysieren.
Was weiter?
Heute haben Physiker erneut Interesse daranzu HERA-Experimenten mit Partikeln. Sie hoffen, die Daten – und eine genauere Computermodellierung auf Basis von Tools wie OmniFold – nutzen zu können, um die Ergebnisse zukünftiger Elektron-Proton-Experimente zu analysieren, beispielsweise des Energy Colliders der nächsten Generation. .
Es wird am Brookhaven National gebautLabor in Zusammenarbeit mit dem Thomas Jefferson National Accelerator Complex. Es wird eine leistungsstarke und vielseitige „Maschine“ sein, die Strahlen hochenergetischer polarisierter Elektronen mit einer Vielzahl von Ionen (oder geladenen Atomen) kollidieren lässt, darunter polarisierte Protonen und einige polarisierte Ionen.
Wie die OmniFold-Entwickler feststellten, eines TagesDie Methode wird Wissenschaftlern helfen, noch offene Fragen zur starken Kraft zu beantworten. „Auch wenn diese Arbeit in naher Zukunft möglicherweise nicht zu praktischen Anwendungen führen wird, ist das Verständnis der Bausteine der Natur sehr wichtig. Wenn wir jetzt nicht forschen, werden wir nie wissen, welche aufregenden neuen technologischen Fortschritte zukünftigen Gesellschaften zugute kommen werden“, schließen die Wissenschaftler.
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