陽子はその小さなサイズにもかかわらず、非常に重要です。それらはすべての原子の中心に位置しています。
陽子とは？
陽子は3つの素粒子のうちの1つです普通の物質が構築されるもの。陽子は原子核の一部です。これは、原子核内の陽子の数に等しい、周期表内の化学元素の通し番号です。陽子は中性子とともにすべての原子核の一部であり、その電荷の大きさを決定します。
ほとんどの粒子と同様に、陽子は小さな磁石のように働くスピンを持っています。陽子のスピンや極性の変化は SF のように思えるかもしれません。実際、それは宇宙のあらゆるものに影響を与えるからです。しかし、それは技術革新の基礎であり、私たちの日常生活に不可欠な部分となっています。陽子スピンの研究のおかげで、人々は貴重な医療診断ツールである磁気共鳴画像法 (MRI) などの技術を手に入れました。このような成果にもかかわらず、陽子の内部構造は依然として謎のままです。
これはなぜ重要なのでしょうか。
基本的に私たちの周りにあるものはすべて存在します陽子のおかげで。それでも、私たちは彼らについてまだあまり知りません。科学者たちが解決したいと考えている大きな謎の 1 つは、陽子の回転です。 2番目の秘密は彼の人生の時間です、ハイテックはこれについて以前に書きました。
回転の仕組みと理由を理解する陽子は、今では非現実的に見える技術の進歩につながるでしょう。また、科学者が、すべての陽子、つまり原子に質量を与える基本的な性質である強い力を理解するのにも役立ちます。
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何が問題ですか？
回転は理解するのが簡単ではありません。問題はそれほど単純ではありません。まず、単純に陽子を取り出してペトリ皿に置くことはできません。ご存知のとおり、ロトンは理解できないほど小さく、その半径はかろうじて 1000 億分の 1 メートルに達し、可視光はそれらを通り抜けます。さらに、世界で最も強力な電子顕微鏡を使用して内部を調べることは不可能です。
しかし、新しい研究の著者らは、これにさらに近づいています。科学者たちはこのもつれた陽子の謎を解明しようとしています。このプロジェクトは、現在 15 か国の 50 の機関から 150 人の科学者が参加する国際グループ、H1 コラボレーションのメンバーによって取り組みました。プロジェクトの本部はドイツの国立研究センター DESY にあります。新しい研究の著者は、世界で最も強力な電子陽子衝突型加速器 HERA を使用して収集されたデータの分析を高速化する機械学習アルゴリズムを開発しています。彼女は 1992 年から 2007 年まで DESY で働いていました。
電子陽子衝突型加速器HERAが分散し、電子、および陽子はほぼ光の速度まで。粒子は正面から衝突し、陽子をその構成要素であるクォーク (上の図で緑と紫のボールとして示されている) とグルオン (黒いコイルとして示されている) に分解することができた.画像：DESY
H1 はデータ収集を停止しました2007 年に HERA が運営から外されたとき。しかし、共同研究スタッフは依然としてデータを分析し、その結果を科学雑誌に発表しています。
科学者たちは何をしましたか？
従来の計算手法を使用する場合陽子が電子と衝突したときにどれだけの粒子が生成されるかなど、陽子の構造や強い力に関連する量を測定するには1年以上かかることもあります。そして、物理学者が別の量、たとえばクォークグルーオンジェットの後の粒子の速度を研究したい場合は、長い計算プロセスを最初からやり直して、さらに1年待たなければなりません。
この問題を解決するために、科学者たちは次のことを使用しました。機械学習。この OmniFold テクノロジーに基づく新しい機器は、複数の量を同時に測定できます。これにより、最終的には分析時間が数年から数分に短縮されます。
それはどのように機能しますか？
OmniFold は同時に使用しながら動作します。コンピューターシミュレーションとデータを組み合わせるためのニューラルネットワーク。要約すると、ニューラル ネットワークは、科学者が手動で実行できない複雑なデータを処理する機械学習ツールです。
HERAトンネルの眺め。写真：DESY
新しい研究の著者らが最初に使用したのは、OmniFold は H1 実験データにアクセスし、その結果をジャーナル Physical Review Letters に発表し、最近では 2022 深層非弾性散乱 (DIS) カンファレンスでその結果を発表しました。
スーパーコンピュータのヘルプ
OmniFold を開発してテストするにはH1 データを扱う能力を備えた物理学者は、複数の GPU の同時使用を必要とするシミュレーション、データ分析、人工知能の実験をサポートするように設計された新しいスーパーコンピューター Perlmutter を導入しました。開発は2021年に完了しました。
Perlmutter スーパーコンピューター、その名はバークレー研究所の宇宙学者でノーベル賞受賞者のソール・パールマター氏に敬意を表し、同時に動作する 128 個のグラフィックス プロセッサを搭載しています。
計算の中心的なタスクは、検出器の歪みを考慮することです。 H1 検出器は粒子を追跡しますが、粒子が粒子を通過せずに「周囲」を飛行すると、データが歪む可能性があります。
以前は、すべての歪みを同時に補正していました計算手法が限られていたため不可能でした。 2007 年以降、素粒子物理学とデータ分析技術の理解が進んでいます。そして科学者は新たな洞察を利用して H1 データを分析できるようになりました。
次は何ですか？
今日、物理学者は新たな関心を抱いていますHERA が粒子を使って実験する。彼らは、このデータと、OmniFold などのツールに基づくより正確なコンピューター モデリングを使用して、次世代エネルギー衝突型加速器 (EIC) などの将来の電子 - 陽子実験の結果を分析したいと考えています。 。
ブルックヘブン国立に建設される予定トーマス・ジェファーソン国立加速器複合施設と提携した研究所。それは、高エネルギー偏極電子のビームを、偏極陽子や一部の偏極イオンを含む広範囲のイオン（または荷電原子）と衝突させる強力で多用途の「機械」となる。
OmniFold 開発者が指摘したように、ある日、この方法は、科学者が強い力についてまだ残っている疑問に答えるのに役立つだろう。 「たとえこの研究が近い将来に実用化につながらないとしても、自然の構成要素を理解することは非常に重要です。今研究しなければ、どのような刺激的な新しい技術の進歩が将来の社会に利益をもたらすかは決してわかりません」と科学者たちは結論付けています。
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