นักฟิสิกส์ได้ค้นพบวิธี "ควบคุม" โปรตอนแล้ว เหตุใดสิ่งนี้จึงสำคัญสำหรับวิทยาศาสตร์และอนาคต

แม้จะมีขนาดที่เล็ก แต่โปรตอนก็มีความสำคัญอย่างเหลือเชื่อ พวกมันตั้งอยู่ที่ศูนย์กลางของทุกอะตอมใน

 ของจักรวาล มีบทบาทสำคัญในการปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงที่สุดอย่างหนึ่งในธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม ยังไม่ทราบถึงธรรมชาติของพวกมันมากนัก

โปรตอนคืออะไร?

โปรตอนเป็นหนึ่งในสามอนุภาคมูลฐานซึ่งเป็นเรื่องธรรมดาที่ถูกสร้างขึ้น โปรตอนเป็นส่วนหนึ่งของนิวเคลียสของอะตอม เป็นเลขลำดับขององค์ประกอบทางเคมีในตารางธาตุซึ่งเท่ากับจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส เมื่อรวมกับนิวตรอน โปรตอนจะเป็นส่วนหนึ่งของนิวเคลียสของอะตอมทั้งหมด ซึ่งเป็นตัวกำหนดขนาดของประจุไฟฟ้า

เช่นเดียวกับอนุภาคส่วนใหญ่โปรตอนมีการหมุนที่ทำหน้าที่เหมือนแม่เหล็กเล็กๆ การเปลี่ยนการหมุนหรือขั้วของโปรตอนอาจดูเหมือนเป็นนิยายวิทยาศาสตร์ เพราะในความเป็นจริงแล้ว มันส่งผลต่อทุกสิ่งในจักรวาล อย่างไรก็ตาม มันเป็นพื้นฐานของความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่กลายเป็นส่วนสำคัญในชีวิตประจำวันของเรา ด้วยการศึกษาการหมุนของโปรตอน ผู้คนจึงมีเทคโนโลยีต่างๆ เช่น การถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก (MRI) ซึ่งเป็นเครื่องมือวินิจฉัยทางการแพทย์ที่ทรงคุณค่า แม้จะประสบความสำเร็จดังกล่าว แต่โครงสร้างภายในของโปรตอนยังคงเป็นปริศนา

ทำไมสิ่งนี้จึงสำคัญ

โดยพื้นฐานแล้วทุกสิ่งรอบตัวเรามีอยู่ขอบคุณโปรตอน แต่เราก็ยังไม่รู้อะไรเกี่ยวกับพวกเขามากนัก ความลึกลับอันยิ่งใหญ่ประการหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์ต้องการแก้ไขคือการหมุนของโปรตอน ความลับที่สองคือช่วงเวลาแห่งชีวิตของเขา Hi-Tech เขียนเกี่ยวกับเรื่องนี้ก่อนหน้านี้

ทำความเข้าใจว่ามันหมุนอย่างไรและทำไมโปรตอนจะนำไปสู่ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่ปัจจุบันดูเหมือนไม่สมจริง นอกจากนี้ยังช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจถึงพลังอันแข็งแกร่ง ซึ่งเป็นคุณสมบัติพื้นฐานที่ให้โปรตอนทั้งหมด และอะตอม รวมถึงมวลด้วย

พวกมันสนับสนุนจักรวาล: พลังหลักทั้งสี่ของธรรมชาติทำงานอย่างไร

อะไรคือปัญหา?

การหมุนไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะเข้าใจปัญหาไม่ง่ายนัก ประการแรก คุณไม่สามารถนำโปรตอนมาใส่ในจานเพาะเชื้อได้ ดังที่คุณทราบโรตอนมีขนาดเล็กอย่างไม่อาจเข้าใจได้ - รัศมีของพวกมันแทบจะไม่ถึงหนึ่งในสี่ล้านล้านเมตรและแสงที่มองเห็นก็ส่องผ่านพวกมันไป ยิ่งไปกว่านั้น เป็นไปไม่ได้ที่จะตรวจสอบอวัยวะภายในด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่ทรงพลังที่สุดในโลก

อย่างไรก็ตาม ผู้เขียนงานวิจัยชิ้นใหม่ได้เข้าใกล้มากขึ้นนักวิทยาศาสตร์เพื่อไขปริศนาโปรตอนที่พันกันนี้ โครงการนี้ดำเนินการโดยสมาชิกของ H1 Collaboration ซึ่งเป็นกลุ่มระหว่างประเทศที่ปัจจุบันประกอบด้วยนักวิทยาศาสตร์ 150 คนจาก 50 สถาบันและ 15 ประเทศ สำนักงานใหญ่ของโครงการตั้งอยู่ที่ศูนย์วิจัยแห่งชาติ DESY ในประเทศเยอรมนี ผู้เขียนการศึกษาครั้งใหม่กำลังพัฒนาอัลกอริธึมการเรียนรู้ของเครื่องเพื่อเร่งการวิเคราะห์ข้อมูลที่รวบรวมโดยใช้ HERA เครื่องชนอิเล็กตรอนโปรตอนที่ทรงพลังที่สุดในโลก เธอทำงานที่ DESY ตั้งแต่ปี 1992 ถึง 2007

อิเล็กตรอน-โปรตอนชน HERA แยกย้ายกันไปและอิเล็กตรอนและโปรตอนเกือบเท่าความเร็วแสง อนุภาคชนกันโดยตรง ซึ่งอาจแบ่งโปรตอนออกเป็นส่วนประกอบ: ควาร์ก (แสดงเป็นลูกบอลสีเขียวและสีม่วงในภาพประกอบด้านบน) และกลูออน (แสดงเป็นขดลวดสีดำ) ภาพ: DESY

H1 หยุดรวบรวมข้อมูลในปี พ.ศ. 2550 เมื่อ HERA ถูกนำออกจากการดำเนินงาน อย่างไรก็ตาม เจ้าหน้าที่ประสานงานยังคงวิเคราะห์ข้อมูลและเผยแพร่ผลการวิจัยในวารสารวิทยาศาสตร์

นักวิทยาศาสตร์ได้ทำอะไร?

เมื่อใช้วิธีการคำนวณแบบเดิมๆอาจต้องใช้เวลาหนึ่งปีหรือมากกว่านั้นในการวัดปริมาณที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างของโปรตอนและแรงอย่างแรง เช่น จำนวนอนุภาคที่เกิดขึ้นเมื่อโปรตอนชนกับอิเล็กตรอน และถ้านักฟิสิกส์ต้องการศึกษาปริมาณอื่น เช่น ความเร็วของอนุภาคที่เกิดจากไอพ่นควาร์ก-กลูออน เขาจะต้องเริ่มกระบวนการคำนวณอันยาวนานอีกครั้งและรออีกปีหนึ่ง

เพื่อแก้ปัญหานักวิทยาศาสตร์จึงใช้การเรียนรู้ของเครื่อง เครื่องมือใหม่ที่ใช้เทคโนโลยี OmniFold นี้สามารถวัดปริมาณหลายรายการพร้อมกันได้ ซึ่งท้ายที่สุดจะช่วยลดเวลาการวิเคราะห์จากหลายปีเหลือเพียงไม่กี่นาที

มันทำงานยังไง?

OmniFold ทำงานขณะใช้งานไปพร้อมๆ กันโครงข่ายประสาทเทียมสำหรับรวมการจำลองคอมพิวเตอร์เข้ากับข้อมูล สรุปก็คือ โครงข่ายประสาทเทียมเป็นเครื่องมือการเรียนรู้ของเครื่องที่ประมวลผลข้อมูลที่ซับซ้อนซึ่งนักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถทำได้ด้วยตนเอง

มุมมองของอุโมงค์ HERA รูปถ่าย: DESY

ผู้เขียนการศึกษาใหม่เป็นคนแรกที่ใช้OmniFold เข้าถึงข้อมูลการทดลอง H1 และตีพิมพ์ผลลัพธ์ในวารสาร Physical Review Letters และล่าสุดได้นำเสนอข้อค้นพบในการประชุม Deep Inelastic Scattering (DIS) ประจำปี 2022

ซุปเปอร์คอมพิวเตอร์ Help

เพื่อพัฒนา OmniFold และทดสอบความสามารถในการทำงานกับข้อมูล H1 นักฟิสิกส์ได้ใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ตัวใหม่ Perlmutter ซึ่งออกแบบมาเพื่อรองรับการจำลอง การวิเคราะห์ข้อมูล และการทดลองปัญญาประดิษฐ์ที่ต้องใช้ GPU หลายตัวพร้อมกัน การพัฒนาแล้วเสร็จในปี 2564

ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ Perlmutter ซึ่งมีชื่อว่าเพื่อเป็นเกียรติแก่นักจักรวาลวิทยาของ Berkeley Lab และผู้ชนะรางวัลโนเบลอย่าง Saul Perlmutter ผลิตภัณฑ์นี้มาพร้อมกับโปรเซสเซอร์กราฟิก 128 ตัวที่ทำงานพร้อมกัน

ภารกิจหลักของการคำนวณคือคำนึงถึงความบิดเบี้ยวของตัวตรวจจับด้วย เครื่องตรวจจับ H1 ติดตามอนุภาค แต่เมื่ออนุภาคบิน "ไปรอบๆ" แทนที่จะผ่านเข้าไป ก็สามารถบิดเบือนข้อมูลได้

ก่อนหน้านี้แก้ไขความผิดเพี้ยนทั้งหมดพร้อมกันไม่สามารถทำได้เนื่องจากวิธีการคำนวณที่จำกัด ความเข้าใจในฟิสิกส์ระดับอะตอมและเทคนิคการวิเคราะห์ข้อมูลมีความก้าวหน้ามาตั้งแต่ปี 2550 และตอนนี้นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้ข้อมูลเชิงลึกใหม่ๆ เพื่อวิเคราะห์ข้อมูล H1 ได้

ถัดไปคืออะไร

วันนี้นักฟิสิกส์ได้กลับมาสนใจอีกครั้งเพื่อทดลอง HERA กับอนุภาค พวกเขาหวังว่าจะใช้ข้อมูลและการสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์ที่แม่นยำยิ่งขึ้นโดยใช้เครื่องมือเช่น OmniFold เพื่อวิเคราะห์ผลลัพธ์ของการทดลองอิเล็กตรอน-โปรตอนในอนาคต เช่น เครื่องชนกันพลังงานรุ่นต่อไป เครื่องชนอิเล็กตรอน-ไอออนรุ่นต่อไป EIC) .

มันจะถูกสร้างขึ้นที่ Brookhaven Nationalห้องปฏิบัติการร่วมกับ Thomas Jefferson National Accelerator Complex มันจะเป็น "เครื่องจักร" ที่ทรงพลังและอเนกประสงค์ที่จะชนลำแสงของอิเล็กตรอนโพลาไรซ์พลังงานสูงกับไอออน (หรืออะตอมที่มีประจุ) ที่หลากหลาย รวมถึงโปรตอนโพลาไรซ์และไอออนโพลาไรซ์บางตัว

ดังที่นักพัฒนา OmniFold กล่าวไว้ วันหนึ่งพวกเขาวิธีการนี้จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ตอบคำถามที่ยังเหลืออยู่เกี่ยวกับพลังที่แข็งแกร่งได้ “แม้ว่างานนี้อาจไม่นำไปสู่การประยุกต์ในทางปฏิบัติในอนาคตอันใกล้นี้ แต่การทำความเข้าใจองค์ประกอบพื้นฐานของธรรมชาติก็มีความสำคัญมาก หากเราไม่ค้นคว้าในตอนนี้ เราจะไม่มีทางรู้ได้เลยว่าความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีใหม่ๆ ที่น่าตื่นเต้นจะเป็นประโยชน์ต่อสังคมในอนาคตอย่างไร” นักวิทยาศาสตร์สรุป

อ่านเพิ่มเติม:

นักโบราณคดีได้ยืนยันตำนานจากพระคัมภีร์อย่างเป็นทางการแล้ว

ปรากฎว่าเกิดอะไรขึ้นกับเซลล์ของร่างกายเมื่อหัวใจตาย

สัญญาณ Starlink ถูกแฮ็กเพื่อใช้เป็นทางเลือกแทน GPS