Pomimo niewielkich rozmiarów protony są niezwykle ważne. Znajdują się w centrum każdego atomu
Co to jest proton?
Proton jest jedną z trzech cząstek elementarnychz której zbudowana jest zwykła materia. Protony są częścią jąder atomowych. Jest to numer seryjny pierwiastka chemicznego w układzie okresowym, równy liczbie protonów w jego jądrze. Razem z neutronem proton wchodzi w skład wszystkich jąder atomowych, określając wielkość jego ładunku elektrycznego.
Podobnie jak większość cząstek,Protony mają spin, który działa jak małe magnesy. Zmiana spinu lub polaryzacji protonu może wydawać się science fiction – ponieważ w rzeczywistości wpływa na wszystko we Wszechświecie. Jest to jednak podstawa przełomów technologicznych, które stały się integralną częścią naszego codziennego życia. Dzięki badaniu spinu protonów ludzie dysponują takimi technologiami, jak rezonans magnetyczny (MRI), nieocenione narzędzie diagnostyki medycznej. Pomimo takich osiągnięć wewnętrzna struktura protonu pozostaje tajemnicą.
Dlaczego to ważne?
W zasadzie wszystko wokół nas istniejedzięki protonom. A mimo to wciąż niewiele o nich wiemy. Jedną z ogromnych tajemnic, które naukowcy chcą rozwiązać, jest rotacja protonu. Drugą tajemnicą jest czas jego życia, o którym Hi-Tech pisał już wcześniej.
Понимание того, как и почему вращается протон приведет к технологическим достижениям, которые сейчас кажутся нереальными. А также поможет ученым понять сильное взаимодействие, фундаментальное свойство, которое придает всем протонам и, следовательно, атомам массу.
Wspierają wszechświat: jak działają cztery główne siły natury
Jaki jest problem?
Понять вращение не так-то просто. проблему не так-то просто. Во-первых, протон нельзя просто взять и поместить его в чашку Петри. Как известно, ротоны непостижимо малы — их радиус едва достигает одной квадриллионной метра, а видимый свет проходит прямо сквозь них. Более того, невозможно осмотреть их внутренности с помощью самых мощных в мире электронных микроскопов.
Однако авторы нового исследования приближает ученых к решению этой запутанной протонной загадки. Над проектом работали сотрудники H1 Collaboration — международной группы, в которую сейчас входят 150 ученых из 50 институтов и 15 стран. Щтаб-квартира проекта базируется в национальном исследовательском центре DESY в Германии. Автор нового исследования разрабатывает алгоритмы машинного обучения для ускорения анализа собранных данных, которые получили с помощью самого мощного в мире электронно-протонного коллайдера HERA. Она работал который работал в DESY с 1992 по 2007 год.
Zderzacz elektronów i protonów HERA rozproszony ielektrony i protony prawie z prędkością światła. Cząstki zderzyły się czołowo, co mogło rozbić proton na jego części składowe: kwarki (pokazane jako zielone i fioletowe kule na powyższej ilustracji) i gluony (pokazane jako czarne cewki). Obraz: DESY
H1 прекратил сбор данных в 2007 году, когда HERA была выведена из эксплуатации. Однако сотрудники коллаборации все еще анализируют данные и публикуют результаты в научных журналах.
Co zrobili naukowcy?
При использовании обычных вычислительных методов может потребоваться год или больше, чтобы измерить величины, связанные со структурой протона и сильным взаимодействием, например, сколько частиц образуется при столкновении протона с электроном. И, если физик захочет изучить другую величину, например скорость полета частиц в кильватерном кварк-глюонном струйном потоке, ему придется начинать долгий вычислительный процесс заново и ждать еще год.
Чтобы решить проблему, ученые использовали машинное обучение. Новый инструмент на основе этой технологии OmniFold может одновременно измерять множество величин. Это в итоге, сокращает время проведения анализа с нескольких лет до минут.
Jak to działa?
OmniFold работает, одновременно используя нейронные сети для объединения компьютерных симуляций с данными. Напомним, нейронная сеть — это инструмент машинного обучения, который обрабатывает сложные данные, которые ученые не могут сделать вручную.
Widok na tunel HERA. Zdjęcie: DESY
Авторы нового исследования впервые применили OmniFold к экспериментальным данным H1 и опубликовали результаты в журнале Physical Review Letters, а совсем недавно представили свои выводы на Конференции по глубокому неупругому рассеянию (англ. Deep Inelastic Scattering, DIS) 2022 года.
Pomoc superkomputera
Чтобы разработать OmniFold и проверить его способность работать с данным H1, физики задействовали новый суперкомпьютер Perlmutter, предназначенный для поддержки моделирования, анализа данных и экспериментов с искусственным интеллектом, которые требуют одновременного использования нескольких графических процессоров. Его разработку завершили в 2021 году.
Суперкомпьютер Perlmutter, который назван в честь космолога из лаборатории Беркли и лауреата Нобелевской премии Сола Перлмуттера, оснащен 128 графическими процессорами, которые работают одновременно.
Центральная задача вычислений — учет искажений детектора. Детектор H1 следит за частицами, но когда они пролетают «вокруг», а не через него, это может искажать данные.
Раньше одновременная коррекция всех искажений была невозможна из-за ограниченных вычислительных методов. Понимание субатомной физики и методов анализа данных продвинулось с 2007 года. И теперь ученые могут использовать новые идеи для анализа данных H1.
Co dalej?
Сегодня у физиков возобновился интерес к экспериментам HERA с частицами. Они надеются использовать данные, — и более точное компьютерное моделирование, основанное на таких инструментах, как OmniFold, — чтобы проанализировать результаты будущих электрон-протонных экспериментов, например, в коллайдере нового поколения Energy (англ. Energy’s next-generation Electron-Ion Collider, EIC).
Его построят в Брукхейвенской национальной лаборатории в партнерстве с Национальным ускорительным комплексом Томаса Джефферсона. Он станет мощной и универсальной «машиной», которая столкнет пучки поляризованных электронов высокой энергии с широким спектром ионов (или заряженных атомов) , включая поляризованные протоны и некоторые поляризованные ионы.
Как отметили разработчики OmniFold, однажды их метод поможет ученым ответить на все еще остающиеся вопросы о сильном взаимодействии. «Даже несмотря на то, что эта работа может не привести к практическому применению в ближайшем будущем, понимание строительных блоков природы очень важно. Если мы не проведем исследование сейчас, то никогда не узнаем, какие захватывающие новые технологические достижения принесут пользу обществам будущего», — заключают ученые.
Czytaj więcej:
Archeolodzy oficjalnie potwierdzili legendy biblijne
Okazało się, co dzieje się z komórkami ciała, gdy serce umiera
Zhakowany sygnał Starlink, który ma być używany jako alternatywa dla GPS