Trots sin lilla storlek är protoner otroligt viktiga. De är belägna i mitten av varje atom i
Vad är en proton?
En proton är en av de tre elementarpartiklarnavilken vanlig materia är byggd. Protoner är en del av atomkärnor. Det är serienumret på ett kemiskt element i det periodiska systemet som är lika med antalet protoner i dess kärna. Tillsammans med neutronen är protonen en del av alla atomkärnor, vilket bestämmer storleken på dess elektriska laddning.
Som de flesta partiklar,Protoner har ett spinn som fungerar som små magneter. Att ändra spinn eller polaritet hos en proton kan verka som science fiction - eftersom det faktiskt påverkar allt i universum. Det är dock grunden för tekniska genombrott som har blivit en integrerad del av vårt dagliga liv. Tack vare studiet av protonspin har människor teknologier som magnetisk resonanstomografi (MRI), ett ovärderligt medicinskt diagnostiskt verktyg. Trots sådana prestationer förblir protonens inre struktur ett mysterium.
Varför är detta viktigt?
I princip allt runt omkring oss finnstack vare protoner. Och ändå vet vi fortfarande inte mycket om dem. Ett av de enorma mysterier som forskare vill lösa är protonens rotation. Den andra hemligheten är tiden i hans liv, skrev Hi-Tech om detta tidigare.
Förstå hur och varför det roterarProtonen kommer att leda till tekniska framsteg som nu verkar orealistiska. Det kommer också att hjälpa forskare att förstå den starka kraften, den grundläggande egenskapen som ger alla protoner, och därför atomer, massa.
De stöder universum: hur naturens fyra huvudkrafter fungerar
Vad är problemet?
Rotation är inte lätt att förstå.problemet är inte så enkelt. För det första kan du inte bara ta en proton och placera den i en petriskål. Som ni vet är rotoner obegripligt små - deras radie når knappt en kvadrilliondels meter, och synligt ljus passerar rakt igenom dem. Dessutom är det omöjligt att undersöka deras inre med hjälp av världens mest kraftfulla elektronmikroskop.
Men författarna till den nya studien kommer närmareforskare för att lösa detta trassliga protonmysterium. Projektet har arbetats med av medlemmar i H1 Collaboration, en internationell grupp som för närvarande omfattar 150 forskare från 50 institutioner och 15 länder. Projektets huvudkontor är baserat på det nationella forskningscentret DESY i Tyskland. Författaren till den nya studien utvecklar maskininlärningsalgoritmer för att påskynda analysen av data som samlats in med hjälp av världens mest kraftfulla elektron-protonkolliderare, HERA. Hon arbetade på DESY från 1992 till 2007.
Elektron-protonkollideraren HERA spreds ochelektroner och protoner nästan till ljusets hastighet. Partiklarna kolliderade frontalt, vilket kunde bryta upp protonen i dess beståndsdelar: kvarkar (visade som gröna och lila bollar i illustrationen ovan) och gluoner (visade som svarta spolar). Bild: DESY
H1 slutade samla in dataunder 2007 när HERA togs ur drift. Samarbetspersonalen analyserar dock fortfarande uppgifterna och publicerar resultaten i vetenskapliga tidskrifter.
Vad har forskarna gjort?
Vid användning av konventionella beräkningsmetoderDet kan ta ett år eller mer att mäta kvantiteter relaterade till protonstruktur och den starka kraften, till exempel hur många partiklar som produceras när en proton kolliderar med en elektron. Och om en fysiker vill studera en annan kvantitet, till exempel partiklarnas hastighet i spåren av en kvarg-gluonstråle, måste han börja om på den långa beräkningsprocessen igen och vänta ett år till.
För att lösa problemet använde forskaremaskininlärning. Ett nytt instrument baserat på denna OmniFold-teknik kan mäta flera kvantiteter samtidigt. Detta minskar i slutändan analystiden från flera år till minuter.
Hur fungerar det?
OmniFold fungerar samtidigt som den användsneurala nätverk för att kombinera datorsimuleringar med data. För att sammanfatta, är ett neuralt nätverk ett maskininlärningsverktyg som bearbetar komplexa data som forskare inte kan göra manuellt.
Utsikt över HERA-tunneln. Foto: DESY
Författarna till den nya studien var de första att användaOmniFold fick tillgång till H1 experimentella data och publicerade resultaten i tidskriften Physical Review Letters, och presenterade senast sina resultat vid 2022 Deep Inelastic Scattering (DIS) Conference.
Superdatorhjälp
Att utveckla OmniFold och testa detförmågan att arbeta med H1-data, installerade fysiker en ny superdator, Perlmutter, designad för att stödja simuleringar, dataanalys och artificiell intelligensexperiment som kräver samtidig användning av flera GPU:er. Dess utveckling slutfördes 2021.
Superdatorn Perlmutter, som är uppkallad efter Berkeley Lab-kosmologen och nobelpristagaren Saul Perlmutter, är utrustad med 128 GPU:er som fungerarsamtidigt.
Den centrala uppgiften för beräkningarna är att ta hänsyn till detektorns förvrängningar.H1 håller ett öga på partiklarna, men när de flyger "runt" istället för genom det kan detförvränga data.
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.
Vad är nästa?
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.
Läs mer:
Arkeologer har officiellt bekräftat legenderna från Bibeln
Det visade sig vad som händer med kroppens celler när hjärtat dör
Starlink-signal hackad för att användas som ett alternativ till GPS