פיזיקאים הבינו כיצד "לרתום" את הפרוטון. מדוע זה חשוב למדע ולעתיד?

למרות גודלם הזעיר, הפרוטונים חשובים להפליא. הם ממוקמים במרכז כל אטום ב

 של היקום ו למלא תפקיד מכריע ב אחת מהאינטראקציות החזקות ביותר בטבע. עם זאת, הרבה על טבעם עדיין לא ידוע.

מהו פרוטון?

פרוטון הוא אחד משלושת החלקיקים היסודייםאשר חומר רגיל בנוי. פרוטונים הם חלק מגרעיני אטום. זהו המספר הסידורי של יסוד כימי בטבלה המחזורית השווה למספר הפרוטונים בגרעין שלו. יחד עם הנייטרון, הפרוטון הוא חלק מכל גרעיני האטום, הקובע את גודל המטען החשמלי שלו. 

כמו רוב החלקיקים,לפרוטונים יש ספין שמתנהג כמו מגנטים זעירים. שינוי הספין או הקוטביות של פרוטון עשוי להיראות כמו מדע בדיוני - כי למעשה, זה משפיע על כל דבר ביקום. עם זאת, זהו הבסיס לפריצות דרך טכנולוגיות שהפכו לחלק בלתי נפרד מחיי היומיום שלנו. הודות למחקר של ספין פרוטונים, לאנשים יש טכנולוגיות כמו הדמיית תהודה מגנטית (MRI), כלי אבחון רפואי שלא יסולא בפז. למרות הישגים כאלה, המבנה הפנימי של הפרוטון נותר בגדר תעלומה.

למה זה חשוב?

בעצם כל מה שסביבנו קייםהודות לפרוטונים. ועדיין, אנחנו עדיין לא יודעים עליהם הרבה. אחת התעלומות הענקיות שמדענים רוצים לפתור היא סיבוב הפרוטון. הסוד השני הוא תקופת חייו, כתב על כך קודם לכן בהיי-טק.

להבין איך ולמה זה מסתובבהפרוטון יוביל להתקדמות טכנולוגית שנראית כעת לא מציאותית. זה גם יעזור למדענים להבין את הכוח החזק, התכונה הבסיסית שנותנת לכל הפרוטונים, ולכן לאטומים, מסה.

הם תומכים ביקום: כיצד פועלים ארבעת כוחות הטבע העיקריים

מה הבעיה?

סיבוב לא קל להבנה.הבעיה לא כל כך פשוטה. ראשית, אתה לא יכול פשוט לקחת פרוטון ולהניח אותו בצלחת פטרי. כידוע, רוטונים הם קטנים בצורה בלתי מובן - הרדיוס שלהם בקושי מגיע לרבעית המטר, ואור הנראה עובר ישר דרכם. יתרה מכך, אי אפשר לבחון את הצד הפנימי שלהם באמצעות מיקרוסקופ האלקטרונים החזקים בעולם.

עם זאת, מחברי המחקר החדש מתקרביםמדענים לפתור את תעלומת הפרוטונים הסבוכה הזו. על הפרויקט עבדו חברי H1 Collaboration, קבוצה בינלאומית הכוללת כיום 150 מדענים מ-50 מוסדות ו-15 מדינות. מטה הפרויקט מבוסס במרכז המחקר הלאומי DESY בגרמניה. מחבר המחקר החדש מפתח אלגוריתמים של למידת מכונה כדי להאיץ את ניתוח הנתונים שנאספו באמצעות מתנגש האלקטרון-פרוטונים החזק ביותר בעולם, HERA. היא עבדה ב-DESY מ-1992 עד 2007.

מתנגש אלקטרונים-פרוטונים HERA התפזר ואלקטרונים, ופרוטונים כמעט למהירות האור. החלקיקים התנגשו חזיתית, מה שעלול לפרק את הפרוטון לחלקיו המרכיבים: קווארקים (המוצגים ככדורים ירוקים וסגולים באיור למעלה) וגלואונים (מוצגים כסלילים שחורים). תמונה: DESY

H1 הפסיק לאסוף נתוניםב 2007 כאשר HERA הוצאה מפעילות. עם זאת, צוות שיתוף הפעולה עדיין מנתח את הנתונים ומפרסם את התוצאות בכתבי עת מדעיים.

מה עשו המדענים?

בעת שימוש בשיטות חישוב קונבנציונליותזה יכול לקחת שנה או יותר כדי למדוד כמויות הקשורות למבנה הפרוטונים ולכוח החזק, כמו כמה חלקיקים נוצרים כאשר פרוטון מתנגש באלקטרון. ואם פיזיקאי רוצה לחקור כמות אחרת, למשל, מהירות החלקיקים בעקבות סילון קווארק-גלואון, הוא יצטרך להתחיל מחדש בתהליך החישוב הארוך ולהמתין שנה נוספת.

כדי לפתור את הבעיה, השתמשו מדעניםלמידת מכונה. מכשיר חדש המבוסס על טכנולוגיית OmniFold זו יכול למדוד מספר כמויות בו זמנית. זה בסופו של דבר מקטין את זמן הניתוח ממספר שנים לדקות.

איך זה עובד?

OmniFold פועל תוך שימוש בו זמניתרשתות עצביות לשילוב הדמיות מחשב עם נתונים. לסיכום, רשת עצבית היא כלי למידת מכונה שמעבד נתונים מורכבים שמדענים לא יכולים לעשות באופן ידני.

מבט על מנהרת HERA. צילום: DESY

מחברי המחקר החדש היו הראשונים להשתמשOmniFold ניגשה לנתוני הניסוי של H1 ופרסמה את התוצאות בכתב העת Physical Review Letters, ולאחרונה הציגו את ממצאיהם בוועידת Deep Inelastic Scattering (DIS) בשנת 2022.

עזרה למחשבי על

לפתח OmniFold ולבדוק אותוהיכולת לעבוד עם נתוני H1, הפיזיקאים פרסו מחשב-על חדש, Perlmutter, שנועד לתמוך בסימולציות, ניתוח נתונים וניסויי בינה מלאכותית הדורשים שימוש בו-זמני במספר GPUs. פיתוחו הושלם בשנת 2021.

מחשב העל פרלמוטר, ששמולכבודו של הקוסמולוג של מעבדת ברקלי וזוכה פרס נובל סול פרלמוטר, הוא מצויד ב-128 מעבדים גרפיים הפועלים בו זמנית.

המשימה המרכזית של חישובים היא לקחת בחשבון עיוותים של גלאים. גלאי H1 עוקב אחר חלקיקים, אך כאשר הם עפים "מסביב" ולא דרכו, הוא יכול להטות את הנתונים.

בעבר, תיקון סימולטני של כל העיוותיםלא היה אפשרי בגלל שיטות חישוב מוגבלות. ההבנה של פיזיקה תת-אטומית וטכניקות ניתוח נתונים התקדמה מאז 2007. ועכשיו מדענים יכולים להשתמש בתובנות חדשות כדי לנתח נתוני H1.

מה הלאה?

כיום, הפיזיקאים התעניינו מחדשכדי ניסוי HERA עם חלקיקים. הם מקווים להשתמש בנתונים - ובמודלים ממוחשבים מדויקים יותר המבוססים על כלים כמו OmniFold - כדי לנתח את התוצאות של ניסויים עתידיים של אלקטרונים-פרוטונים, כגון מתנגש האנרגיה של הדור הבא. .

הוא ייבנה בברוקהייבן נשיונלמעבדה בשיתוף עם מתחם האקסלרטור הלאומי של תומס ג'פרסון. זו תהיה "מכונה" רבת עוצמה ורב-תכליתית שתתנגש באלומות של אלקטרונים מקוטבים באנרגיה גבוהה עם מגוון רחב של יונים (או אטומים טעונים), כולל פרוטונים מקוטבים וכמה יונים מקוטבים.

כפי שציינו מפתחי OmniFold, יום אחד הםהשיטה תעזור למדענים לענות על שאלות שנותרו לגבי הכוח החזק. "למרות שעבודה זו עשויה שלא להוביל ליישומים מעשיים בעתיד הקרוב, הבנת אבני הבניין של הטבע חשובה מאוד. אם לא נחקור עכשיו, לעולם לא נדע איזו התקדמות טכנולוגית חדשה ומלהיבה תועיל לחברות עתידיות", מסכמים המדענים.

קרא עוד:

ארכיאולוגים אישרו רשמית את האגדות מהתנ"ך

התברר מה קורה לתאי הגוף כשהלב מת

אות Starlink נפרץ כדי לשמש כחלופה ל-GPS