Несмотря на крошечный размер протонов, они невероятно важны. Они находятся в центре каждого атома во Вселенной и играют решающую роль в одном из самых сильных взаимодействий в природе. Однако многое об их природе до сих пор неизвестно.
Что такое протон?
Протон — одна из трех элементарных частиц, из которых построено обычное вещество. Протоны входят в состав атомных ядер. Именно порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева равен количеству протонов в его ядре. Вместе с нейтроном протон входит в состав всех атомных ядер, определяя величину его электрического заряда.
Как и у большинства частиц, у протонов есть спин, который действует как крошечные магниты. Изменение спина или полярности протона может показаться научной фантастикой — ведь, по сути, это влияет на все во Вселенной. Однако это основа технологических прорывов, которые стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Благодаря изучению вращения протона у людей есть такие технологии, как магнитно-резонансная томография (МРТ) — бесценный инструмент медицинской диагностики. Несмотря на такие достижения, внутреннее устройство протона остается загадкой.
Почему это важно?
В основном все вокруг нас существует благодаря протонам. И все же мы до сих пор многое о них не знаем. Одна из огромных загадок, которые хотят решить ученые, — это вращение протона. Вторая тайна — время его жизни, об этом «Хайтек» писал ранее.
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.
В чем проблема?
Понять вращение 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. Штаб-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. Он работал в DESY с 1992 по 2007 год.
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.
Что сделали ученые?
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.
Как это работает?
OmniFold работает, одновременно используя нейронные сети для объединения компьютерных симуляций с данными. Напомним, нейронная сеть — это инструмент машинного обучения, он обрабатывает сложные данные, которые ученые не могут сделать вручную.
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.
Помощь суперкомпьютера
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.
Что дальше?
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.
Читать далее:
Археологи официально подтвердили сказания из Библии
Выяснилось, что происходит с клетками тела, когда умирает сердце
Сигнал Starlink взломали, чтобы использовать его в качестве альтернативы GPS