Ondanks hun kleine formaat zijn protonen ongelooflijk belangrijk. Ze bevinden zich in het centrum van elk atoom
Wat is een proton?
Een proton is een van de drie elementaire deeltjeswaaruit gewone materie wordt opgebouwd. Protonen maken deel uit van atoomkernen. Het is het serienummer van een chemisch element in het periodiek systeem dat gelijk is aan het aantal protonen in zijn kern. Samen met het neutron maakt het proton deel uit van alle atoomkernen en bepaalt het de grootte van zijn elektrische lading.
Zoals de meeste deeltjes,Protonen hebben een spin die werkt als kleine magneten. Het veranderen van de spin of polariteit van een proton lijkt misschien sciencefiction, omdat het in feite alles in het heelal beïnvloedt. Het is echter de basis van technologische doorbraken die een integraal onderdeel van ons dagelijks leven zijn geworden. Dankzij de studie van protonenspin beschikken mensen over technologieën zoals magnetische resonantiebeeldvorming (MRI), een medisch diagnostisch hulpmiddel van onschatbare waarde. Ondanks dergelijke prestaties blijft de interne structuur van het proton een mysterie.
Waarom is dit belangrijk?
Eigenlijk bestaat alles om ons heendankzij protonen. En toch weten we nog steeds niet veel over hen. Een van de grote mysteries die wetenschappers willen oplossen is de rotatie van het proton. Het tweede geheim is de tijd van zijn leven, schreef Hi-Tech eerder hierover.
Begrijpen hoe en waarom het draaitHet proton zal leiden tot technologische vooruitgang die nu onrealistisch lijkt. Het zal wetenschappers ook helpen de sterke kracht te begrijpen, de fundamentele eigenschap die alle protonen, en dus atomen, massa geeft.
Ze ondersteunen het universum: hoe de vier belangrijkste natuurkrachten werken
Wat is het probleem?
Rotatie is niet gemakkelijk te begrijpen.het probleem is niet zo eenvoudig. Ten eerste kun je niet zomaar een proton nemen en in een petrischaaltje plaatsen. Zoals je weet zijn rotonen onbegrijpelijk klein: hun straal bereikt amper een biljardste van een meter, en zichtbaar licht gaat er dwars doorheen. Bovendien is het onmogelijk om de binnenkant ervan te onderzoeken met de krachtigste elektronenmicroscopen ter wereld.
De auteurs van de nieuwe studie komen echter dichterbijwetenschappers om dit verwarde protonmysterie op te lossen. Aan het project werd gewerkt door leden van de H1 Collaboration, een internationale groep die momenteel 150 wetenschappers uit 50 instellingen en 15 landen omvat. Het projecthoofdkwartier is gevestigd in het nationale onderzoekscentrum DESY in Duitsland. De auteur van de nieuwe studie ontwikkelt machine learning-algoritmen om de analyse te versnellen van gegevens die zijn verzameld met behulp van 's werelds krachtigste elektronen-protonenbotser, HERA. Ze werkte van 1992 tot 2007 bij DESY.
Elektronen-protonversneller HERA gedispergeerd enelektronen en protonen bijna met de lichtsnelheid. De deeltjes botsten frontaal op elkaar, waardoor het proton in zijn samenstellende delen zou kunnen breken: quarks (weergegeven als groene en paarse ballen in de bovenstaande afbeelding) en gluonen (weergegeven als zwarte spoelen). Afbeelding: DESY
H1 stopte met het verzamelen van gegevensin 2007, toen HERA buiten bedrijf werd gesteld. Het samenwerkingspersoneel analyseert de gegevens echter nog steeds en publiceert de resultaten in wetenschappelijke tijdschriften.
Wat hebben de wetenschappers gedaan?
Bij gebruik van conventionele rekenmethodenHet kan een jaar of langer duren om hoeveelheden te meten die verband houden met de protonstructuur en de sterke kracht, zoals hoeveel deeltjes er worden geproduceerd wanneer een proton in botsing komt met een elektron. En als een natuurkundige een andere grootheid wil bestuderen, bijvoorbeeld de snelheid van deeltjes in de nasleep van een quark-gluonstraal, zal hij het lange rekenproces helemaal opnieuw moeten beginnen en nog een jaar moeten wachten.
Om het probleem op te lossen, gebruikten wetenschappersmachinaal leren. Een nieuw instrument gebaseerd op deze OmniFold-technologie kan meerdere hoeveelheden tegelijk meten. Dit reduceert uiteindelijk de analysetijd van enkele jaren naar minuten.
Hoe werkt het?
OmniFold werkt terwijl u tegelijkertijd gebruiktneurale netwerken voor het combineren van computersimulaties met data. Om samen te vatten: een neuraal netwerk is een machine learning-tool die complexe gegevens verwerkt die wetenschappers niet handmatig kunnen doen.
Zicht op de HERA-tunnel. Foto: DESY
De auteurs van de nieuwe studie waren de eersten die dit gebruiktenOmniFold had toegang tot de experimentele gegevens van het eerste halfjaar en publiceerde de resultaten in het tijdschrift Physical Review Letters, en presenteerde onlangs hun bevindingen op de Deep Inelastic Scattering (DIS) Conference 2022.
Supercomputer Help
Om OmniFold te ontwikkelen en te testenOm met H1-gegevens te kunnen werken, hebben natuurkundigen een nieuwe supercomputer ingezet, Perlmutter, ontworpen ter ondersteuning van simulaties, data-analyse en kunstmatige-intelligentie-experimenten die het gelijktijdige gebruik van meerdere GPU's vereisen. De ontwikkeling ervan werd in 2021 voltooid.
De Perlmutter-supercomputer, die zijn naam draagtter ere van de kosmoloog en Nobelprijswinnaar Saul Perlmutter van Berkeley Lab is het uitgerust met 128 grafische processors die tegelijkertijd werken.
De centrale taak van berekeningen is om rekening te houden met detectorvervormingen. De H1-detector spoort deeltjes op, maar als ze ‘rond’ vliegen in plaats van er doorheen, kunnen de gegevens vertekend worden.
Voorheen gelijktijdige correctie van alle vervormingenwas niet mogelijk vanwege de beperkte rekenmethoden. Het begrip van subatomaire fysica en data-analysetechnieken is sinds 2007 verbeterd. En nu kunnen wetenschappers nieuwe inzichten gebruiken om H1-gegevens te analyseren.
Wat is de volgende stap?
Tegenwoordig hebben natuurkundigen hernieuwde belangstellingaan HERA-experimenten met deeltjes. Ze hopen de gegevens – en nauwkeurigere computermodellen op basis van tools als OmniFold – te gebruiken om de resultaten van toekomstige elektron-protonexperimenten te analyseren, zoals de volgende generatie Energy Collider (EIC). .
Het zal worden gebouwd in Brookhaven Nationallaboratorium in samenwerking met het Thomas Jefferson National Accelerator Complex. Het zal een krachtige en veelzijdige ‘machine’ zijn die bundels hoogenergetische gepolariseerde elektronen zal laten botsen met een breed scala aan ionen (of geladen atomen), waaronder gepolariseerde protonen en enkele gepolariseerde ionen.
Zoals de ontwikkelaars van OmniFold opmerkten, kwamen ze op een dagDe methode zal wetenschappers helpen de nog resterende vragen over de sterke kracht te beantwoorden. “Ook al zal dit werk in de nabije toekomst misschien niet tot praktische toepassingen leiden, het begrijpen van de bouwstenen van de natuur is erg belangrijk. Als we nu geen onderzoek doen, zullen we nooit weten welke opwindende nieuwe technologische ontwikkelingen toekomstige samenlevingen ten goede zullen komen”, concluderen de wetenschappers.
Lees verder:
Archeologen hebben de legendes uit de Bijbel officieel bevestigd
Het bleek wat er met de cellen van het lichaam gebeurt als het hart sterft
Starlink-signaal gehackt om te worden gebruikt als alternatief voor GPS