Nonostante le loro piccole dimensioni, i protoni sono incredibilmente importanti. Si trovano al centro di ogni atomo
Cos'è un protone?
Un protone è una delle tre particelle elementaricui è costruita la materia ordinaria. I protoni fanno parte dei nuclei atomici. È il numero seriale di un elemento chimico nella tavola periodica che è uguale al numero di protoni nel suo nucleo. Insieme al neutrone, il protone fa parte di tutti i nuclei atomici, determinando l'entità della sua carica elettrica.
Come la maggior parte delle particelle,I protoni hanno una rotazione che agisce come piccoli magneti. Cambiare la rotazione o la polarità di un protone può sembrare fantascienza, perché, in effetti, influenza tutto nell'Universo. Tuttavia, è la base delle scoperte tecnologiche che sono diventate parte integrante della nostra vita quotidiana. Grazie allo studio dello spin del protone, le persone dispongono di tecnologie come la risonanza magnetica (MRI), uno strumento medico diagnostico di inestimabile valore. Nonostante tali risultati, la struttura interna del protone rimane un mistero.
Perché è così importante?
Fondamentalmente tutto ciò che ci circonda esistegrazie ai protoni. Eppure, non sappiamo ancora molto di loro. Uno degli enormi misteri che gli scienziati vogliono risolvere è la rotazione del protone. Il secondo segreto è il tempo della sua vita, ne ha scritto Hi-Tech in precedenza.
Capire come e perché ruotaIl protone porterà a progressi tecnologici che ora sembrano irrealistici. Aiuterà anche gli scienziati a comprendere la forza forte, la proprietà fondamentale che conferisce massa a tutti i protoni, e quindi agli atomi.
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Qual è il problema?
La rotazione non è facile da capire.il problema non è così semplice. In primo luogo, non si può semplicemente prendere un protone e metterlo in una capsula di Petri. Come sapete, i rotoni sono incomprensibilmente piccoli: il loro raggio raggiunge a malapena un quadrilionesimo di metro e la luce visibile li attraversa. Inoltre, è impossibile esaminarne l'interno utilizzando i microscopi elettronici più potenti del mondo.
Tuttavia, gli autori del nuovo studio si avvicinanoscienziati per risolvere questo intricato mistero dei protoni. Al progetto hanno lavorato i membri della Collaborazione H1, un gruppo internazionale che attualmente comprende 150 scienziati provenienti da 50 istituzioni e 15 paesi. La sede del progetto si trova presso il centro di ricerca nazionale DESY in Germania. L'autore del nuovo studio sta sviluppando algoritmi di apprendimento automatico per accelerare l'analisi dei dati raccolti utilizzando il collisore elettrone-protoni più potente al mondo, HERA. Ha lavorato presso DESY dal 1992 al 2007.
Il collisore elettrone-protone HERA si è disperso eelettroni e protoni quasi alla velocità della luce. Le particelle si sono scontrate frontalmente, il che potrebbe rompere il protone nelle sue parti componenti: quark (mostrati come palline verdi e viola nell'illustrazione sopra) e gluoni (mostrati come bobine nere). Immagine: DESY
H1 ha interrotto la raccolta dei datinel 2007, quando HERA è stata messa fuori servizio. Tuttavia, il personale di collaborazione sta ancora analizzando i dati e pubblicando i risultati su riviste scientifiche.
Che cosa hanno fatto gli scienziati?
Quando si utilizzano metodi computazionali convenzionaliPuò volerci un anno o più per misurare quantità legate alla struttura del protone e alla forza forte, come quante particelle vengono prodotte quando un protone collide con un elettrone. E se un fisico vuole studiare un’altra grandezza, per esempio la velocità delle particelle sulla scia di un getto di quark e gluoni, dovrà ricominciare da capo il lungo processo computazionale e aspettare un altro anno.
Per risolvere il problema, gli scienziati hanno utilizzatoapprendimento automatico. Un nuovo strumento basato su questa tecnologia OmniFold può misurare più quantità contemporaneamente. In definitiva, ciò riduce il tempo di analisi da diversi anni a pochi minuti.
Come funziona?
OmniFold funziona durante l'utilizzo simultaneoreti neurali per combinare simulazioni computerizzate con dati. Ricapitolando, una rete neurale è uno strumento di apprendimento automatico che elabora dati complessi che gli scienziati non possono eseguire manualmente.
Veduta del tunnel HERA. Foto: DESY
Gli autori del nuovo studio sono stati i primi a utilizzarloOmniFold ha avuto accesso ai dati sperimentali H1 e ha pubblicato i risultati sulla rivista Physical Review Letters e più recentemente ha presentato i risultati alla conferenza Deep Inelastic Scattering (DIS) del 2022.
Aiuto supercomputer
Per sviluppare OmniFold e testarlocapacità di lavorare con i dati H1, i fisici hanno implementato un nuovo supercomputer, Perlmutter, progettato per supportare simulazioni, analisi dei dati ed esperimenti di intelligenza artificiale che richiedono l'uso simultaneo di più GPU. Il suo sviluppo è stato completato nel 2021.
Il supercomputer Perlmutter, da cui prende il nomein onore del cosmologo del Berkeley Lab e premio Nobel Saul Perlmutter, è dotato di 128 processori grafici che funzionano simultaneamente.
Il compito centrale dei calcoli è tenere conto delle distorsioni del rivelatore. Il rilevatore H1 traccia le particelle, ma quando volano “intorno” anziché attraverso di essa, può distorcere i dati.
In precedenza, correzione simultanea di tutte le distorsioninon è stato possibile a causa dei metodi computazionali limitati. La comprensione della fisica subatomica e delle tecniche di analisi dei dati ha fatto progressi dal 2007. E ora gli scienziati possono utilizzare nuove conoscenze per analizzare i dati H1.
Qual è il prossimo?
Oggi i fisici hanno rinnovato interesseagli esperimenti HERA con le particelle. Sperano di utilizzare i dati - e una modellazione computerizzata più accurata basata su strumenti come OmniFold - per analizzare i risultati dei futuri esperimenti elettrone-protone, come il collisore di energia di prossima generazione. .
Sarà costruito a Brookhaven Nationallaboratorio in collaborazione con il Thomas Jefferson National Accelerator Complex. Sarà una "macchina" potente e versatile che farà collidere fasci di elettroni polarizzati ad alta energia con un'ampia gamma di ioni (o atomi carichi), inclusi protoni polarizzati e alcuni ioni polarizzati.
Come hanno notato gli sviluppatori di OmniFold, un giornoIl metodo aiuterà gli scienziati a rispondere alle domande ancora aperte sulla forza forte. “Anche se questo lavoro potrebbe non portare ad applicazioni pratiche nel prossimo futuro, comprendere gli elementi costitutivi della natura è molto importante. Se non effettuiamo la ricerca adesso, non sapremo mai quali entusiasmanti nuovi progressi tecnologici andranno a beneficio delle società future”, concludono gli scienziati.
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