Neskatoties uz to nelielo izmēru, protoni ir neticami svarīgi. Tie atrodas katra atoma centrā
Kas ir protons?
Protons ir viena no trim elementārdaļiņāmkura parastā matērija ir uzbūvēta. Protoni ir daļa no atomu kodoliem. Tas ir ķīmiskā elementa sērijas numurs periodiskajā tabulā, kas ir vienāds ar protonu skaitu tā kodolā. Kopā ar neitronu protons ir daļa no visiem atomu kodoliem, kas nosaka tā elektriskā lādiņa lielumu.
Tāpat kā lielākā daļa daļiņu,Protoniem ir griešanās, kas darbojas kā mazi magnēti. Protona griešanās vai polaritātes maiņa var šķist zinātniskā fantastika – jo patiesībā tā ietekmē visu Visumā. Tomēr tas ir tehnoloģisko sasniegumu pamatā, kas kļuvuši par mūsu ikdienas dzīves neatņemamu sastāvdaļu. Pateicoties protonu spin izpētei, cilvēkiem ir tādas tehnoloģijas kā magnētiskās rezonanses attēlveidošana (MRI), kas ir nenovērtējams medicīniskās diagnostikas rīks. Neskatoties uz šādiem sasniegumiem, protona iekšējā struktūra joprojām ir noslēpums.
Kāpēc tas ir svarīgi?
Būtībā viss mums apkārt pastāvpateicoties protoniem. Un tomēr mēs joprojām neko daudz par viņiem nezinām. Viens no milzīgajiem noslēpumiem, ko zinātnieki vēlas atrisināt, ir protona rotācija. Otrs noslēpums ir viņa dzīves laiks, par to Hi-Tech rakstīja iepriekš.
Izpratne par to, kā un kāpēc tas griežasProtons novedīs pie tehnoloģiskiem sasniegumiem, kas šobrīd šķiet nereāli. Tas arī palīdzēs zinātniekiem izprast spēcīgo spēku, pamatīpašību, kas visiem protoniem un līdz ar to arī atomiem piešķir masu.
Viņi atbalsta Visumu: kā darbojas četri galvenie dabas spēki
Kāda ir problēma?
Rotāciju nav viegli saprast.problēma nav tik vienkārša. Pirmkārt, jūs nevarat vienkārši paņemt protonu un ievietot to Petri trauciņā. Kā zināms, rotoni ir neaptverami mazi – to rādiuss tik tikko sasniedz vienu metra kvadriljono daļu, un tieši caur tiem iziet redzamā gaisma. Turklāt nav iespējams izpētīt to iekšpusi, izmantojot pasaulē jaudīgākos elektronu mikroskopus.
Tomēr jaunā pētījuma autori tuvināszinātniekiem, lai atrisinātu šo samudžināto protonu noslēpumu. Pie projekta strādāja H1 Collaboration dalībnieki, starptautiska grupa, kurā pašlaik ir 150 zinātnieki no 50 iestādēm un 15 valstīm. Projekta galvenā mītne atrodas nacionālajā pētniecības centrā DESY Vācijā. Jaunā pētījuma autors izstrādā mašīnmācīšanās algoritmus, lai paātrinātu to datu analīzi, kas savākti, izmantojot pasaulē jaudīgāko elektronu-protonu paātrinātāju HERA. Viņa strādāja uzņēmumā DESY no 1992. līdz 2007. gadam.
Elektronu-protonu paātrinātājs HERA izkliedēts unelektronus un protonus gandrīz līdz gaismas ātrumam. Daļiņas sadūrās ar priekšu, kas varēja sadalīt protonu tā sastāvdaļās: kvarkos (augšējā attēlā parādīti kā zaļas un purpursarkanas bumbiņas) un gluonos (parādītas kā melnas spoles). Attēls: DESY
H1 pārtrauca datu vākšanu2007. gadā, kad HERA tika pārtraukta. Tomēr sadarbības darbinieki joprojām analizē datus un publicē rezultātus zinātniskos žurnālos.
Ko zinātnieki ir izdarījuši?
Izmantojot parastās skaitļošanas metodesVar paiet gads vai vairāk, lai izmērītu daudzumus, kas saistīti ar protonu struktūru un spēcīgo spēku, piemēram, cik daudz daļiņu rodas, protonam saduroties ar elektronu. Un, ja fiziķis vēlas izpētīt citu lielumu, piemēram, daļiņu ātrumu kvarka-gluona strūklas ietekmē, viņam būs jāsāk no jauna garais skaitļošanas process un jāgaida vēl gads.
Lai atrisinātu problēmu, zinātnieki izmantojamašīnmācība. Jauns instruments, kura pamatā ir šī OmniFold tehnoloģija, var izmērīt vairākus daudzumus vienlaicīgi. Tas galu galā samazina analīzes laiku no vairākiem gadiem līdz minūtēm.
Kā tas darbojas?
OmniFold darbojas vienlaikus lietojotneironu tīkli datorsimulāciju apvienošanai ar datiem. Rezumējot, neironu tīkls ir mašīnmācīšanās rīks, kas apstrādā sarežģītus datus, ko zinātnieki nevar izdarīt manuāli.
Skats uz HERA tuneli. Foto: DESY
Jaunā pētījuma autori bija pirmie, kas izmantojaOmniFold piekļuva H1 eksperimentālajiem datiem un publicēja rezultātus žurnālā Physical Review Letters, un nesen iepazīstināja ar saviem atklājumiem 2022. gada dziļās neelastīgās izkliedes (DIS) konferencē.
Superdatoru palīdzība
Lai izstrādātu OmniFold un pārbaudītu tospēju strādāt ar H1 datiem, fiziķi izvietoja jaunu superdatoru Perlmutter, kas izstrādāts, lai atbalstītu simulācijas, datu analīzi un mākslīgā intelekta eksperimentus, kuriem nepieciešams vienlaikus izmantot vairākus GPU. Tā izstrāde tika pabeigta 2021. gadā.
Superdators Perlmutter, kas ir nosauktspar godu Berkeley Lab kosmologam un Nobela prēmijas laureātam Saulam Perlmuteram, tas ir aprīkots ar 128 grafikas procesoriem, kas darbojas vienlaicīgi.
Aprēķinu galvenais uzdevums ir ņemt vērā detektoru kropļojumus. H1 detektors izseko daļiņas, bet, kad tās lido “apkārt”, nevis cauri tai, tas var sagrozīt datus.
Iepriekš visu izkropļojumu vienlaicīga korekcijanebija iespējams ierobežoto skaitļošanas metožu dēļ. Izpratne par subatomisko fiziku un datu analīzes metodēm ir uzlabojusies kopš 2007. gada. Un tagad zinātnieki var izmantot jaunus ieskatus, lai analizētu H1 datus.
Kas tālāk?
Mūsdienās fiziķi ir atjaunojuši interesiuz HERA eksperimentiem ar daļiņām. Viņi cer izmantot datus un precīzāku datormodelēšanu, kas balstīta uz tādiem rīkiem kā OmniFold, lai analizētu nākotnes elektronu-protonu eksperimentu rezultātus, piemēram, nākamās paaudzes Energy Collider; nākamās paaudzes elektronu jonu paātrinātājs. .
Tas tiks uzcelts Brookhaven Nationallaboratorija sadarbībā ar Thomas Jefferson National Accelerator Complex. Tā būs jaudīga un daudzpusīga "mašīna", kas sadurs augstas enerģijas polarizētu elektronu starus ar plašu jonu (vai lādētu atomu) klāstu, tostarp polarizētiem protoniem un dažiem polarizētiem joniem.
Kā atzīmēja OmniFold izstrādātāji, kādu dienu viņiMetode palīdzēs zinātniekiem atbildēt uz joprojām atlikušajiem jautājumiem par spēcīgo spēku. "Lai gan šis darbs tuvākajā nākotnē var nenovest pie praktiskiem pielietojumiem, izpratne par dabas blokiem ir ļoti svarīga. Ja mēs tagad nepētīsim, mēs nekad neuzzināsim, kādi aizraujoši jauni tehnoloģiskie sasniegumi dos labumu nākotnes sabiedrībām,” secina zinātnieki.
Lasīt vairāk:
Arheologi ir oficiāli apstiprinājuši Bībeles leģendas
Izrādījās, kas notiek ar ķermeņa šūnām, kad mirst sirds
Starlink signāls ir uzlauzts, lai to izmantotu kā alternatīvu GPS