Malgré leur petite taille, les protons sont extrêmement importants. Ils sont situés au centre de chaque atome
Qu'est-ce qu'un proton ?
Un proton est l'une des trois particules élémentairesquelle matière ordinaire est construite. Les protons font partie des noyaux atomiques. C'est le numéro de série d'un élément chimique du tableau périodique qui est égal au nombre de protons dans son noyau. Avec le neutron, le proton fait partie de tous les noyaux atomiques et détermine l'ampleur de sa charge électrique.
Comme la plupart des particules,Les protons ont un spin qui agit comme de minuscules aimants. Changer le spin ou la polarité d’un proton peut ressembler à de la science-fiction – car, en fait, cela affecte tout dans l’Univers. Pourtant, c’est la base des avancées technologiques qui font désormais partie intégrante de notre quotidien. Grâce à l’étude du spin des protons, les humains disposent de technologies telles que l’imagerie par résonance magnétique (IRM), un outil de diagnostic médical inestimable. Malgré ces progrès, la structure interne du proton reste un mystère.
Pourquoi est-ce important?
En gros, tout ce qui nous entoure existegrâce aux protons. Et pourtant, nous ne savons toujours pas grand-chose à leur sujet. L’un des grands mystères que les scientifiques veulent résoudre est la rotation du proton. Le deuxième secret est le moment de sa vie, a écrit Hi-Tech à ce sujet plus tôt.
Comprendre comment et pourquoi il tourneLe proton entraînera des avancées technologiques qui semblent aujourd’hui irréalistes. Cela aidera également les scientifiques à comprendre la force forte, la propriété fondamentale qui donne la masse à tous les protons, et donc aux atomes.
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Quel est le problème?
La rotation n'est pas facile à comprendre.le problème n'est pas si simple. Premièrement, vous ne pouvez pas simplement prendre un proton et le placer dans une boîte de Pétri. Comme vous le savez, les rotons sont incompréhensiblement petits : leur rayon atteint à peine un quadrillionième de mètre et la lumière visible les traverse. De plus, il est impossible d’examiner leur intérieur à l’aide des microscopes électroniques les plus puissants au monde.
Cependant, les auteurs de la nouvelle étude rapprochentscientifiques pour résoudre ce mystère enchevêtré des protons. Le projet a été travaillé par des membres de la Collaboration H1, un groupe international qui comprend actuellement 150 scientifiques de 50 institutions et 15 pays. Le siège du projet est basé au centre national de recherche DESY en Allemagne. L'auteur de la nouvelle étude développe des algorithmes d'apprentissage automatique pour accélérer l'analyse des données collectées à l'aide du collisionneur électron-proton le plus puissant au monde, HERA. Elle a travaillé chez DESY de 1992 à 2007.
Le collisionneur électron-proton HERA dispersé etélectrons et protons presque à la vitesse de la lumière. Les particules sont entrées en collision frontale, ce qui a pu briser le proton en ses composants : les quarks (représentés par des boules vertes et violettes dans l'illustration ci-dessus) et les gluons (représentés par des bobines noires). Image : DESY
Le premier semestre a arrêté de collecter des donnéesen 2007, lorsque HERA a été mis hors service. Cependant, le personnel de la collaboration analyse toujours les données et publie les résultats dans des revues scientifiques.
Qu'ont fait les scientifiques ?
Lors de l'utilisation de méthodes de calcul conventionnellesCela peut prendre un an ou plus pour mesurer les quantités liées à la structure du proton et à la force forte, comme le nombre de particules produites lorsqu'un proton entre en collision avec un électron. Et si un physicien souhaite étudier une autre grandeur, par exemple la vitesse des particules dans le sillage d’un jet de quarks et de gluons, il devra recommencer le long processus de calcul et attendre encore un an.
Pour résoudre le problème, les scientifiques ont utiliséapprentissage automatique. Un nouvel instrument basé sur cette technologie OmniFold peut mesurer plusieurs quantités simultanément. Cela réduit finalement le temps d’analyse de plusieurs années à quelques minutes.
Comment ça marche?
OmniFold fonctionne tout en utilisant simultanémentréseaux de neurones pour combiner des simulations informatiques avec des données. Pour récapituler, un réseau de neurones est un outil d’apprentissage automatique qui traite des données complexes que les scientifiques ne peuvent pas traiter manuellement.
Vue du tunnel HERA. Photo: DESY
Les auteurs de la nouvelle étude ont été les premiers à utiliserOmniFold a accédé aux données expérimentales H1 et publié les résultats dans la revue Physical Review Letters, et a récemment présenté ses résultats lors de la conférence Deep Inelastic Scattering (DIS) de 2022.
Aide sur le supercalculateur
Pour développer OmniFold et le testercapacité à travailler avec les données H1, les physiciens ont déployé un nouveau supercalculateur, Perlmutter, conçu pour prendre en charge les simulations, l'analyse de données et les expériences d'intelligence artificielle qui nécessitent l'utilisation simultanée de plusieurs GPU. Son développement s’est achevé en 2021.
Le supercalculateur Perlmutter, nomméen l'honneur du cosmologue du Berkeley Lab et lauréat du prix Nobel, Saul Perlmutter, il est équipé de 128 processeurs graphiques fonctionnant simultanément.
La tâche centrale des calculs est de prendre en compte les distorsions des détecteurs. Le détecteur H1 suit les particules, mais lorsqu’elles volent « autour » plutôt que à travers, il peut fausser les données.
Auparavant, correction simultanée de toutes les distorsionsn’a pas été possible en raison des méthodes de calcul limitées. La compréhension de la physique subatomique et des techniques d’analyse des données a progressé depuis 2007. Et désormais, les scientifiques peuvent utiliser de nouvelles informations pour analyser les données du premier semestre.
Et ensuite?
Aujourd'hui, les physiciens ont un regain d'intérêtaux expériences HERA avec des particules. Ils espèrent utiliser les données – et une modélisation informatique plus précise basée sur des outils comme OmniFold – pour analyser les résultats de futures expériences électron-proton, telles que le collisionneur Energy de nouvelle génération (EIC). .
Il sera construit à Brookhaven Nationallaboratoire en partenariat avec le Thomas Jefferson National Accelerator Complex. Il s'agira d'une « machine » puissante et polyvalente qui fera entrer en collision des faisceaux d'électrons polarisés de haute énergie avec une large gamme d'ions (ou d'atomes chargés), notamment des protons polarisés et certains ions polarisés.
Comme l'ont noté les développeurs d'OmniFold, un jour, ilsLa méthode aidera les scientifiques à répondre aux questions encore en suspens sur la force forte. « Même si ces travaux ne déboucheront peut-être pas sur des applications pratiques dans un avenir proche, il est très important de comprendre les éléments constitutifs de la nature. Si nous ne faisons pas de recherche dès maintenant, nous ne saurons jamais quelles nouvelles avancées technologiques passionnantes bénéficieront aux sociétés futures », concluent les scientifiques.
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