Napriek svojej malej veľkosti sú protóny neuveriteľne dôležité. Sú umiestnené v strede každého atómu
Čo je to protón?
Protón je jednou z troch elementárnych častícktorá obyčajná hmota je postavená. Protóny sú súčasťou atómových jadier. Je to poradové číslo chemického prvku v periodickej tabuľke, ktoré sa rovná počtu protónov v jeho jadre. Spolu s neutrónom je protón súčasťou všetkých atómových jadier a určuje veľkosť jeho elektrického náboja.
Ako väčšina častíc,Protóny majú rotáciu, ktorá pôsobí ako malé magnety. Zmena spinu alebo polarity protónu sa môže zdať ako sci-fi – pretože v skutočnosti ovplyvňuje všetko vo vesmíre. Je však základom technologických objavov, ktoré sa stali neoddeliteľnou súčasťou nášho každodenného života. Vďaka štúdiu protónového spinu majú ľudia k dispozícii technológie, ako je zobrazovanie magnetickou rezonanciou (MRI), neoceniteľný lekársky diagnostický nástroj. Napriek týmto úspechom zostáva vnútorná štruktúra protónu záhadou.
Prečo je to dôležité?
V podstate všetko okolo nás existujevďaka protónom. A napriek tomu o nich stále veľa nevieme. Jednou z obrovských záhad, ktoré chcú vedci vyriešiť, je rotácia protónu. Druhým tajomstvom je čas jeho života, o tom Hi-Tech písal už skôr.
Pochopenie, ako a prečo sa točíProtón povedie k technologickému pokroku, ktorý sa teraz zdá nereálny. Vedcom to tiež pomôže pochopiť silnú silu, základnú vlastnosť, ktorá dáva všetkým protónom, a teda aj atómom, hmotnosť.
Podporujú vesmír: ako fungujú štyri hlavné sily prírody
Aký je problém?
Rotáciu nie je ľahké pochopiť.problém nie je taký jednoduchý. Po prvé, nemôžete jednoducho vziať protón a umiestniť ho do Petriho misky. Ako viete, rotóny sú nepochopiteľne malé - ich polomer sotva dosahuje jednu kvadrilióntinu metra a viditeľné svetlo prechádza priamo cez ne. Navyše je nemožné preskúmať ich vnútro pomocou najvýkonnejších elektrónových mikroskopov na svete.
Autori novej štúdie však približujúvedci vyriešiť túto zamotanú záhadu protónov. Na projekte pracovali členovia medzinárodnej skupiny H1 Collaboration, ktorá v súčasnosti zahŕňa 150 vedcov z 50 inštitúcií a 15 krajín. Centrála projektu sídli v národnom výskumnom centre DESY v Nemecku. Autor novej štúdie vyvíja algoritmy strojového učenia na urýchlenie analýzy údajov zozbieraných pomocou najvýkonnejšieho elektrón-protónového urýchľovača na svete HERA. V DESY pracovala v rokoch 1992 až 2007.
Elektrón-protónový urýchľovač HERA rozptýlený aelektróny a protóny takmer rýchlosťou svetla. Častice sa čelne zrazili, čo by mohlo rozbiť protón na jeho zložky: kvarky (zobrazené ako zelené a fialové guľôčky na obrázku vyššie) a gluóny (zobrazené ako čierne cievky). Obrázok: DESY
H1 prestal zhromažďovať údajev 2007 keď bola HERA vyradená z prevádzky. Spolupracujúci pracovníci však stále analyzujú údaje a zverejňujú výsledky vo vedeckých časopisoch.
Čo urobili vedci?
Pri použití konvenčných výpočtových metódMeranie množstiev súvisiacich s protónovou štruktúrou a silnou silou, ako napríklad koľko častíc sa vytvorí, keď sa protón zrazí s elektrónom, môže trvať rok alebo viac. A ak chce fyzik študovať inú veličinu, napríklad rýchlosť častíc v dôsledku kvark-gluónového výtrysku, bude musieť spustiť dlhý výpočtový proces odznova a počkať ďalší rok.
Na vyriešenie problému vedci použilistrojové učenie. Nový prístroj založený na tejto technológii OmniFold dokáže merať viacero veličín súčasne. To v konečnom dôsledku skracuje čas analýzy z niekoľkých rokov na minúty.
Ako to funguje?
OmniFold funguje pri súčasnom používaníneurónové siete na kombinovanie počítačových simulácií s údajmi. Aby sme to zhrnuli, neurónová sieť je nástroj strojového učenia, ktorý spracováva zložité dáta, ktoré vedci nedokážu robiť manuálne.
Pohľad na tunel HERA. Foto: DESY
Ako prví použili autori novej štúdieOmniFold pristúpil k experimentálnym údajom H1 a publikoval výsledky v časopise Physical Review Letters a najnovšie svoje zistenia prezentoval na konferencii Deep Inelastic Scattering (DIS) v roku 2022.
Pomocník superpočítača
Vyvinúť OmniFold a otestovať hoschopnosť pracovať s údajmi H1, fyzici nasadili nový superpočítač, Perlmutter, navrhnutý na podporu simulácií, analýzy údajov a experimentov s umelou inteligenciou, ktoré vyžadujú súčasné použitie viacerých GPU. Jeho vývoj bol ukončený v roku 2021.
Superpočítač Perlmutter, ktorý je pomenovanýna počesť kozmológa Berkeley Lab a nositeľa Nobelovej ceny Saula Perlmuttera je vybavený 128 grafickými procesormi, ktoré pracujú súčasne.
Ústrednou úlohou výpočtov je zohľadniť skreslenie detektora. Detektor H1 sleduje častice, ale keď lietajú „okolo“, nie cez neho, môže skresliť údaje.
Predtým súčasná korekcia všetkých skreslenínebolo možné z dôvodu obmedzených výpočtových metód. Pochopenie subatomárnej fyziky a techník analýzy údajov od roku 2007 pokročilo. A teraz môžu vedci použiť nové poznatky na analýzu údajov H1.
Čo bude ďalej?
Dnes fyzici obnovili záujemdo HERA experimentuje s časticami. Dúfajú, že použijú údaje – a presnejšie počítačové modelovanie založené na nástrojoch ako OmniFold – na analýzu výsledkov budúcich elektrón-protónových experimentov, ako je napríklad zrážač energie novej generácie. Elektrón-iónový urýchľovač novej generácie, EIC) .
Postaví sa v Brookhaven Nationallaboratórium v spolupráci s Thomas Jefferson National Accelerator Complex. Pôjde o výkonný a všestranný „stroj“, ktorý bude zrážať lúče vysokoenergetických polarizovaných elektrónov so širokou škálou iónov (alebo nabitých atómov), vrátane polarizovaných protónov a niektorých polarizovaných iónov.
Ako poznamenali vývojári OmniFold, jedného dňaMetóda pomôže vedcom odpovedať na stále zostávajúce otázky o silnej sile. „Aj keď táto práca nemusí v blízkej budúcnosti viesť k praktickým aplikáciám, pochopenie stavebných kameňov prírody je veľmi dôležité. Ak nebudeme skúmať teraz, nikdy sa nedozvieme, aké vzrušujúce nové technologické pokroky budú prospešné pre budúce spoločnosti,“ uzatvárajú vedci.
Čítaj viac:
Archeológovia oficiálne potvrdili legendy z Biblie
Ukázalo sa, čo sa stane s bunkami tela, keď srdce odumrie
Signál Starlink bol hacknutý, aby sa dal použiť ako alternatíva k GPS