Pienestä koostaan huolimatta protonit ovat uskomattoman tärkeitä. Ne sijaitsevat jokaisen atomin keskellä
Mikä on protoni?
Protoni on yksi kolmesta alkuainehiukkasestamikä tavallinen aine on rakennettu. Protonit ovat osa atomiytimiä. Se on kemiallisen alkuaineen sarjanumero jaksollisessa taulukossa, joka on yhtä suuri kuin sen ytimessä olevien protonien lukumäärä. Yhdessä neutronin kanssa protoni on osa kaikkia atomiytimiä ja määrittää sen sähkövarauksen suuruuden.
Kuten useimmat hiukkaset,Protoneilla on spin, joka toimii kuin pienet magneetit. Protonin spinin tai polariteetin muuttaminen voi tuntua tieteisfiktiolta - koska itse asiassa se vaikuttaa kaikkeen universumissa. Se on kuitenkin perusta teknisille läpimurroille, joista on tullut olennainen osa jokapäiväistä elämäämme. Protonispin tutkimuksen ansiosta ihmisillä on teknologioita, kuten magneettikuvaus (MRI), korvaamaton lääketieteellinen diagnostinen työkalu. Tällaisista saavutuksista huolimatta protonin sisäinen rakenne on edelleen mysteeri.
Miksi tämä on tärkeää?
Periaatteessa kaikki ympärillämme on olemassaprotonien ansiosta. Ja silti emme vieläkään tiedä heistä paljoa. Yksi valtavista mysteereistä, jonka tutkijat haluavat ratkaista, on protonin pyöriminen. Toinen salaisuus on hänen elämänsä aika, Hi-Tech kirjoitti tästä aiemmin.
Ymmärtää kuinka ja miksi se pyöriiProtoni johtaa teknologiseen kehitykseen, joka nyt vaikuttaa epärealistiselta. Se auttaa myös tutkijoita ymmärtämään vahvan voiman, perusominaisuuden, joka antaa kaikille protoneille ja siten atomeille massan.
He tukevat maailmankaikkeutta: miten luonnon neljä päävoimaa toimivat
Mikä on ongelma?
Rotaatiota ei ole helppo ymmärtää.ongelma ei ole niin yksinkertainen. Ensinnäkin et voi yksinkertaisesti ottaa protonia ja laittaa sitä petrimaljaan. Kuten tiedät, rotonit ovat käsittämättömän pieniä - niiden säde yltää tuskin metrin kvadrillijoonasosaan, ja näkyvä valo kulkee suoraan niiden läpi. Lisäksi niiden sisäpuolia on mahdotonta tutkia maailman tehokkaimmilla elektronimikroskopeilla.
Uuden tutkimuksen tekijät kuitenkin lähentyvättutkijat ratkaisemaan tämän sotkuisen protonimysteerin. Hankkeen parissa työskentelivät H1 Collaborationin jäsenet, kansainvälinen ryhmä, johon kuuluu tällä hetkellä 150 tutkijaa 50 laitoksesta ja 15 maasta. Hankkeen pääkonttori sijaitsee kansallisessa tutkimuskeskuksessa DESYssä Saksassa. Uuden tutkimuksen kirjoittaja kehittää koneoppimisalgoritmeja nopeuttamaan maailman tehokkaimmalla elektroni-protonitörmäyttimellä, HERA:lla, kerätyn tiedon analysointia. Hän työskenteli DESYllä vuosina 1992–2007.
Elektroni-protonitörmäyskone HERA dispergoitu jaelektroneja ja protoneja lähes valonnopeudella. Hiukkaset törmäsivät yhteen, mikä olisi voinut hajottaa protonin sen osiin: kvarkeihin (näkyy yllä olevassa kuvassa vihreinä ja purppuraina palloina) ja gluoneiksi (näkyy mustina keloina). Kuva: DESY
H1 lokasi tietojen keräämisenvuonna 2007 kun HERA poistettiin käytöstä. Yhteistyöhenkilöstö kuitenkin analysoi edelleen tietoja ja julkaisee tuloksia tieteellisissä julkaisuissa.
Mitä tutkijat ovat tehneet?
Kun käytetään perinteisiä laskentamenetelmiäProtonin rakenteeseen ja voimakkaaseen voimaan liittyvien määrien mittaaminen voi kestää vuoden tai kauemmin, kuten kuinka monta hiukkasta syntyy, kun protoni törmää elektroniin. Ja jos fyysikko haluaa tutkia toista määrää, esimerkiksi hiukkasten nopeutta kvarkkigluoni-suihkun jälkeen, hänen on aloitettava pitkä laskentaprosessi alusta ja odotettava vielä vuosi.
Ongelman ratkaisemiseksi tutkijat käyttivätkoneoppiminen. Uusi tähän OmniFold-tekniikkaan perustuva instrumentti voi mitata useita määriä samanaikaisesti. Tämä lyhentää lopulta analysointiaikaa useista vuosista minuutteihin.
Miten se toimii?
OmniFold toimii samanaikaisesti käytettäessäneuroverkot tietokonesimulaatioiden yhdistämiseen dataan. Yhteenvetona totean, että hermoverkko on koneoppimistyökalu, joka käsittelee monimutkaista dataa, jota tutkijat eivät voi tehdä manuaalisesti.
Näkymä HERA-tunnelista. Valokuva: DESY
Uuden tutkimuksen tekijät käyttivät ensimmäisenäOmniFold käytti H1-kokeellisia tietoja ja julkaisi tulokset Physical Review Letters -lehdessä, ja viimeksi esitteli havaintojaan 2022 Deep Inelastic Scattering (DIS) -konferenssissa.
Supertietokoneen ohje
Kehitä OmniFold ja testaa sitäkyky työskennellä H1-tietojen kanssa, fyysikot ottivat käyttöön uuden supertietokoneen, Perlmutterin, joka on suunniteltu tukemaan simulaatioita, data-analyysiä ja tekoälykokeita, jotka edellyttävät useiden GPU:iden samanaikaista käyttöä. Sen kehitystyö valmistui vuonna 2021.
Perlmutter-supertietokone, joka on nimettyBerkeley Labin kosmologin ja Nobel-palkinnon voittajan Saul Perlmutterin kunniaksi se on varustettu 128 grafiikkaprosessorilla, jotka toimivat samanaikaisesti.
Laskelmien keskeinen tehtävä on ottaa huomioon ilmaisimen vääristymät. H1-ilmaisin seuraa hiukkasia, mutta kun ne lentävät "ympärillä" sen sijaan, että ne lentävät sen läpi, se voi vääristää tietoja.
Aikaisemmin kaikkien vääristymien samanaikainen korjausei ollut mahdollista rajallisten laskentamenetelmien vuoksi. Subatomisen fysiikan ja data-analyysitekniikoiden ymmärtäminen on edistynyt vuodesta 2007 lähtien. Ja nyt tutkijat voivat käyttää uusia oivalluksia H1-tietojen analysointiin.
Mitä seuraavaksi?
Nykyään fyysikot ovat jälleen kiinnostuneitaHERA-kokeisiin hiukkasilla. He toivovat voivansa käyttää tietoja – ja tarkempaa tietokonemallinnusta, joka perustuu OmniFoldin kaltaisiin työkaluihin – tulevien elektroni-protonikokeiden, kuten seuraavan sukupolven Energy Colliderin, tulosten analysoimiseen. .
Se rakennetaan Brookhaven Nationaliinlaboratorio yhteistyössä Thomas Jefferson National Accelerator Complexin kanssa. Se on tehokas ja monipuolinen "kone", joka törmää korkean energian polarisoituneiden elektronien säteet monenlaisiin ioneihin (tai varautuneisiin atomeihin), mukaan lukien polarisoidut protonit ja jotkut polarisoidut ionit.
Kuten OmniFold-kehittäjät totesivat, eräänä päivänä heMenetelmä auttaa tutkijoita vastaamaan vielä jäljellä oleviin kysymyksiin vahvasta voimasta. ”Vaikka tämä työ ei välttämättä johda käytännön sovelluksiin lähitulevaisuudessa, luonnon rakennuspalikoiden ymmärtäminen on erittäin tärkeää. Jos emme tee tutkimusta nyt, emme koskaan tiedä, mitä jännittäviä uusia teknologisia edistysaskeleita hyödyttää tulevaisuuden yhteiskuntia, tutkijat päättävät.
Lue lisää:
Arkeologit ovat virallisesti vahvistaneet Raamatun legendat
Kävi ilmi, mitä tapahtuu kehon soluille, kun sydän kuolee
Starlink-signaali hakkeroitu käytettäväksi vaihtoehtona GPS:lle