Παρά το μικρό τους μέγεθος, τα πρωτόνια είναι απίστευτα σημαντικά. Βρίσκονται στο κέντρο κάθε ατόμου μέσα
Τι είναι ένα πρωτόνιο;
Ένα πρωτόνιο είναι ένα από τα τρία στοιχειώδη σωματίδιαη οποία χτίζεται η συνηθισμένη ύλη. Τα πρωτόνια αποτελούν μέρος των ατομικών πυρήνων. Είναι ο σειριακός αριθμός ενός χημικού στοιχείου στον περιοδικό πίνακα που ισούται με τον αριθμό των πρωτονίων στον πυρήνα του. Μαζί με το νετρόνιο, το πρωτόνιο αποτελεί μέρος όλων των ατομικών πυρήνων, καθορίζοντας το μέγεθος του ηλεκτρικού του φορτίου.
Όπως τα περισσότερα σωματίδια,Τα πρωτόνια έχουν ένα σπιν που λειτουργεί σαν μικροσκοπικοί μαγνήτες. Η αλλαγή του σπιν ή της πολικότητας ενός πρωτονίου μπορεί να φαίνεται σαν επιστημονική φαντασία - επειδή, στην πραγματικότητα, επηρεάζει τα πάντα στο Σύμπαν. Ωστόσο, είναι η βάση των τεχνολογικών ανακαλύψεων που έχουν γίνει αναπόσπαστο μέρος της καθημερινότητάς μας. Χάρη στη μελέτη του σπιν πρωτονίων, οι άνθρωποι διαθέτουν τεχνολογίες όπως η μαγνητική τομογραφία (MRI), ένα ανεκτίμητο ιατρικό διαγνωστικό εργαλείο. Παρά τέτοια επιτεύγματα, η εσωτερική δομή του πρωτονίου παραμένει ένα μυστήριο.
Γιατί είναι αυτό σημαντικό;
Βασικά όλα γύρω μας υπάρχουνχάρη στα πρωτόνια. Κι όμως, ακόμα δεν γνωρίζουμε πολλά γι' αυτούς. Ένα από τα τεράστια μυστήρια που θέλουν να λύσουν οι επιστήμονες είναι η περιστροφή του πρωτονίου. Το δεύτερο μυστικό είναι η εποχή της ζωής του, έγραψε η Hi-Tech για αυτό νωρίτερα.
Κατανοώντας πώς και γιατί περιστρέφεταιΤο πρωτόνιο θα οδηγήσει σε τεχνολογικές προόδους που τώρα φαίνονται μη ρεαλιστικές. Θα βοηθήσει επίσης τους επιστήμονες να κατανοήσουν την ισχυρή δύναμη, τη θεμελιώδη ιδιότητα που δίνει σε όλα τα πρωτόνια, και επομένως στα άτομα, μάζα.
Υποστηρίζουν το σύμπαν: πώς λειτουργούν οι τέσσερις κύριες δυνάμεις της φύσης
Ποιο είναι το πρόβλημα?
Η περιστροφή δεν είναι εύκολο να κατανοηθεί.το πρόβλημα δεν είναι τόσο απλό. Πρώτον, δεν μπορείτε απλά να πάρετε ένα πρωτόνιο και να το τοποθετήσετε σε ένα πιάτο Petri. Όπως γνωρίζετε, τα ρότονα είναι ακατανόητα μικρά - η ακτίνα τους μόλις και μετά βίας φτάνει το ένα τεταρτοεκατοστό του μέτρου και το ορατό φως περνά ακριβώς μέσα από αυτά. Επιπλέον, είναι αδύνατο να εξεταστεί το εσωτερικό τους χρησιμοποιώντας τα πιο ισχυρά ηλεκτρονικά μικροσκόπια στον κόσμο.
Ωστόσο, οι συντάκτες της νέας μελέτης φέρνουν πιο κοντάεπιστήμονες για να λύσουν αυτό το μπερδεμένο μυστήριο πρωτονίων. Το έργο εργάστηκαν από μέλη της H1 Collaboration, μιας διεθνούς ομάδας που περιλαμβάνει επί του παρόντος 150 επιστήμονες από 50 ιδρύματα και 15 χώρες. Η έδρα του έργου βρίσκεται στο εθνικό ερευνητικό κέντρο DESY στη Γερμανία. Ο συγγραφέας της νέας μελέτης αναπτύσσει αλγόριθμους μηχανικής μάθησης για να επιταχύνει την ανάλυση των δεδομένων που συλλέγονται χρησιμοποιώντας τον ισχυρότερο επιταχυντή ηλεκτρονίων-πρωτονίων στον κόσμο, τον HERA. Εργάστηκε στον ΔΕΣΥ από το 1992 έως το 2007.
Επιταχυντής ηλεκτρονίου-πρωτονίου ΗΡΑ διασκορπίστηκε καιηλεκτρόνια και πρωτόνια σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός. Τα σωματίδια συγκρούστηκαν μετωπικά, γεγονός που θα μπορούσε να σπάσει το πρωτόνιο στα συστατικά του μέρη: κουάρκ (που παρουσιάζονται ως πράσινες και μοβ μπάλες στην παραπάνω εικόνα) και γκλουόνια (που παρουσιάζονται ως μαύρα πηνία). Εικόνα: ΔΕΣΥ
Το H1 σταμάτησε τη συλλογή δεδομένωντο 2007 όταν η ΗΡΑ τέθηκε εκτός λειτουργίας . Ωστόσο, το προσωπικό της συνεργασίας εξακολουθεί να αναλύει τα δεδομένα και να δημοσιεύει τα αποτελέσματα σε επιστημονικά περιοδικά.
Τι έχουν κάνει οι επιστήμονες;
Όταν χρησιμοποιείτε συμβατικές υπολογιστικές μεθόδουςΜπορεί να χρειαστεί ένα έτος ή περισσότερο για να μετρηθούν ποσότητες που σχετίζονται με τη δομή του πρωτονίου και την ισχυρή δύναμη, όπως πόσα σωματίδια παράγονται όταν ένα πρωτόνιο συγκρούεται με ένα ηλεκτρόνιο. Και, αν ένας φυσικός θέλει να μελετήσει μια άλλη ποσότητα, για παράδειγμα, την ταχύτητα των σωματιδίων στον απόηχο ενός πίδακα κουάρκ-γκλουονίου, θα πρέπει να ξεκινήσει τη μακρά υπολογιστική διαδικασία από την αρχή και να περιμένει άλλον ένα χρόνο.
Για να λύσουν το πρόβλημα, οι επιστήμονες χρησιμοποίησανμηχανική μάθηση. Ένα νέο όργανο που βασίζεται σε αυτήν την τεχνολογία OmniFold μπορεί να μετρήσει πολλές ποσότητες ταυτόχρονα. Αυτό τελικά μειώνει τον χρόνο ανάλυσης από αρκετά χρόνια σε λεπτά.
Πώς λειτουργεί;
Το OmniFold λειτουργεί ενώ χρησιμοποιείται ταυτόχρονανευρωνικά δίκτυα για το συνδυασμό προσομοιώσεων υπολογιστή με δεδομένα. Για να ανακεφαλαιώσουμε, ένα νευρωνικό δίκτυο είναι ένα εργαλείο μηχανικής μάθησης που επεξεργάζεται πολύπλοκα δεδομένα που οι επιστήμονες δεν μπορούν να κάνουν με το χέρι.
Άποψη της σήραγγας ΗΡΑ. Φωτογραφία: ΔΕΣΥ
Οι συγγραφείς της νέας μελέτης ήταν οι πρώτοι που χρησιμοποίησανΤο OmniFold απέκτησε πρόσβαση στα πειραματικά δεδομένα H1 και δημοσίευσε τα αποτελέσματα στο περιοδικό Physical Review Letters και πιο πρόσφατα παρουσίασε τα ευρήματά του στο Συνέδριο Deep Inelastic Scattering (DIS) 2022.
Βοήθεια υπερυπολογιστή
Για να αναπτύξετε το OmniFold και να το δοκιμάσετεικανότητα εργασίας με δεδομένα H1, οι φυσικοί ανέπτυξαν έναν νέο υπερυπολογιστή, τον Perlmutter, σχεδιασμένο να υποστηρίζει προσομοιώσεις, ανάλυση δεδομένων και πειράματα τεχνητής νοημοσύνης που απαιτούν την ταυτόχρονη χρήση πολλαπλών GPU. Η ανάπτυξή του ολοκληρώθηκε το 2021.
Ο υπερυπολογιστής Perlmutter, ο οποίος ονομάζεταιπρος τιμήν του κοσμολόγου του Berkeley Lab και νομπελίστα Saul Perlmutter, είναι εξοπλισμένο με 128 επεξεργαστές γραφικών που λειτουργούν ταυτόχρονα.
Το κεντρικό καθήκον των υπολογισμών είναι να ληφθούν υπόψη οι παραμορφώσεις του ανιχνευτή. Ο ανιχνευτής H1 παρακολουθεί τα σωματίδια, αλλά όταν αυτά πετούν «γύρω» και όχι μέσα από αυτόν, μπορεί να παραμορφώσει τα δεδομένα.
Προηγουμένως, ταυτόχρονη διόρθωση όλων των στρεβλώσεωνδεν ήταν δυνατή λόγω περιορισμένων υπολογιστικών μεθόδων. Η κατανόηση της υποατομικής φυσικής και των τεχνικών ανάλυσης δεδομένων έχει προχωρήσει από το 2007. Και τώρα οι επιστήμονες μπορούν να χρησιμοποιήσουν νέες γνώσεις για να αναλύσουν τα δεδομένα H1.
Τι άλλο;
Σήμερα, οι φυσικοί έχουν ανανεώσει το ενδιαφέρονγια πειράματα HERA με σωματίδια. Ελπίζουν να χρησιμοποιήσουν τα δεδομένα - και πιο ακριβή μοντελοποίηση υπολογιστή με βάση εργαλεία όπως το OmniFold - για να αναλύσουν τα αποτελέσματα μελλοντικών πειραμάτων ηλεκτρονίων-πρωτονίων, όπως ο επιταχυντής ενέργειας επόμενης γενιάς, EIC. .
Θα κατασκευαστεί στο Brookhaven Nationalεργαστήριο σε συνεργασία με το Thomas Jefferson National Accelerator Complex. Θα είναι μια ισχυρή και ευέλικτη «μηχανή» που θα συγκρούεται με δέσμες υψηλής ενέργειας πολωμένων ηλεκτρονίων με ένα ευρύ φάσμα ιόντων (ή φορτισμένων ατόμων), συμπεριλαμβανομένων των πολωμένων πρωτονίων και ορισμένων πολωμένων ιόντων.
Όπως σημείωσαν οι προγραμματιστές του OmniFold, μια μέραΗ μέθοδος θα βοηθήσει τους επιστήμονες να απαντήσουν σε ερωτήσεις σχετικά με την ισχυρή δύναμη. «Αν και αυτή η εργασία μπορεί να μην οδηγήσει σε πρακτικές εφαρμογές στο εγγύς μέλλον, η κατανόηση των δομικών στοιχείων της φύσης είναι πολύ σημαντική. Αν δεν ερευνήσουμε τώρα, δεν θα μάθουμε ποτέ τι συναρπαστικές νέες τεχνολογικές εξελίξεις θα ωφελήσουν τις μελλοντικές κοινωνίες», καταλήγουν οι επιστήμονες.
Διαβάστε περισσότερα:
Οι αρχαιολόγοι επιβεβαίωσαν επίσημα τους θρύλους από τη Βίβλο
Αποδείχθηκε τι συμβαίνει στα κύτταρα του σώματος όταν πεθαίνει η καρδιά
Το σήμα Starlink παραβιάστηκε για να χρησιμοποιηθεί ως εναλλακτική λύση στο GPS