研究HERA隧道：伯克利实验室的科学家们开发了新的机器学习算法，以加速对HERA几十年前收集的数据的分析，HERA是世界上最强大的电子质子对撞机，于1992年至2007年在德国DESY国家研究中心运行。信用： 德西
质子很小，但它们携带很多重量。它们栖息在宇宙中每个原子的中心，在自然界最强大的力量之一中起着关键作用。
然而，质子也有脚踏实地的一面。
像大多数粒子一样，质子具有像微小磁铁一样的自旋。翻转质子的自旋或极性可能听起来像科幻小说，但它是技术突破的基础，这些技术突破已经成为我们日常生活的关键，例如磁共振成像（MRI），这是一种宝贵的医疗诊断工具。
尽管有这些进步，质子的内部运作仍然是一个谜。
“基本上你周围的一切都是因为质子而存在的，但我们仍然不了解关于它们的一切。物理学家想要解决的一个巨大难题是质子的自旋，“本·纳赫曼（Ben Nachman）说，他是能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）物理部机器学习小组的负责人。
了解质子旋转的方式和原因可以带来我们今天甚至无法想象的技术进步，并帮助我们理解强大的力，这是一种赋予所有质子并因此赋予原子质量的基本性质。
但这不是一个容易解决的问题。首先，你不能准确地拿起一个质子并将其放在培养皿中：质子非常小 - 它们的半径是一千万亿分之一米的头发，可见光直接穿过它们。更重要的是，你甚至不能用世界上最强大的电子显微镜观察它们的内部。
Nachman和他的团队最近的工作可以使我们更接近解决这个令人困惑的质子难题。
作为H1协作组织的成员 - 一个国际组织，现在包括来自50个研究所和15个国家的150名科学家，总部设在德国的DESY国家研究中心 - Nachman一直在开发新的机器学习算法，以加速对HERA几十年前收集的数据的分析，HERA是世界上最强大的电子质子对撞机，从1992年到2007年在DESY运行。
HERA——一个周长4英里的环——就像一个巨大的显微镜，将电子和质子加速到接近光速。粒子迎面碰撞，可以将质子散射到其组成部分：夸克和胶子中。
HERA的科学家通过称为粒子探测器的复杂相机（其中之一是H1探测器）测量了这些电子 - 质子碰撞产生的粒子碎片级联，物理学家称之为“深度非弹性散射”。
展现强大力量的秘密
H1在2007年停止收集数据，即HERA退役的那一年。今天，H1协作仍在分析数据并在科学期刊上发表结果。
HERA电子 - 质子对撞机将电子和质子加速到接近光速。粒子迎面碰撞，可以将质子散射到其组成部分：夸克（在上图中显示为绿色和紫色球）和胶子（图中显示为黑色线圈）。
当使用传统的计算技术来测量与质子结构和强力相关的量时，可能需要一年或更长时间，例如当质子与电子碰撞时产生多少粒子。
如果研究人员想要检查不同的量，例如粒子在夸克 - 胶子喷射流之后飞行的速度有多快，他们将不得不重新开始漫长的计算过程，然后再等一年。
Nachman共同开发了一种名为OmniFold的新机器学习工具，可以同时测量多个量，从而将运行分析的时间从几年缩短到几分钟。
OmniFold通过立即使用神经网络将计算机模拟与数据相结合来实现这一点。（神经网络是一种机器学习工具，用于处理科学家无法手动完成的复杂数据。
Nachman和他的团队在六月份的《物理评论快报》杂志上首次将OmniFold应用于H1实验数据，最近在2022年深度非弹性散射（DIS）会议上也是如此。
为了开发OmniFold并测试其对H1数据的鲁棒性，纳赫曼和Vinicius Mikuni，伯克利实验室国家能源研究科学计算中心（NERSC）数据和分析服务（DAS）小组的博士后研究员和NERSC百亿亿次级科学应用学习研究员，需要一台具有许多强大GPU（图形处理单元）的超级计算机， 纳赫曼说。
巧合的是，Perlmutter是一台新的超级计算机，旨在支持一次需要多个GPU的模拟，数据分析和人工智能实验，刚刚在2021年夏天开放，进入“早期科学阶段”，允许科学家在真实数据上测试系统。（珀尔马特超级计算机以伯克利实验室宇宙学家和诺贝尔奖获得者索尔·珀尔马特的名字命名。
“由于Perlmutter超级计算机允许我们同时使用128个GPU，我们能够在不到一周而不是几个月的时间内运行分析的所有步骤，从数据处理到结果的推导。这种改进使我们能够快速优化我们训练的神经网络，并为我们测量的可观察量获得更精确的结果，“Mikuni说，他也是H1协作的成员。
这些测量的中心任务是考虑探测器失真。H1探测器，就像一个守望的哨兵站在一个售罄的音乐会竞技场的入口处，监测粒子飞过它。例如，当粒子在探测器周围飞行而不是穿过探测器时，就会发生测量误差的一个来源 - 有点像一个无票的音乐会观众跳过一个不受监控的围栏，而不是通过售票的安全门进入。
由于当时可用的计算方法有限，无法同时校正所有失真。“自2007年以来，我们对亚原子物理学和数据分析技术的理解有了显着进步，因此今天，科学家们可以使用新的见解来分析H1数据，”Nachman说。
今天的科学家对HERA的粒子实验重新产生了兴趣，因为他们希望利用这些数据以及由OmniFold等工具提供的更精确的计算机模拟来帮助分析未来电子质子实验的结果，例如能源部的下一代电子离子对撞机（EIC）。
EIC将与托马斯·杰斐逊国家加速器设施合作在布鲁克海文国家实验室建造，将是一种功能强大且用途广泛的新机器，能够将偏振电子的高能束与许多能量中的各种离子（或带电原子）碰撞，包括极化质子和一些极化离子。
“想到我们的方法有朝一日可以帮助科学家回答关于强力仍然存在的问题，这真是令人兴奋，”纳赫曼说。
“尽管这项工作可能不会在短期内带来实际应用，但了解自然界的基石就是我们在这里的原因 - 寻求最终的真理。这些是在最基本的层面上理解一切由什么组成的步骤。这就是我的动力。如果我们现在不做研究，我们将永远不会知道我们将获得哪些令人兴奋的新技术进步来造福未来的社会。
更多信息：V. Andreev等人，使用机器学习展开的H1探测器测量深度非弹性散射中的轻子射流相关性，物理评论快报（2022）。DOI： 10.1103/
