展望 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，这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。学分：DESY

质子很小，但它们承载的重量很大。它们居住在宇宙中每个原子的中心，并在自然界中最强大的力量之一中发挥着关键作用。

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，但它是对我们日常生活至关重要的技术突破的基础，例如磁共振成像 (MRI)，一种无价的医学诊断工具。

尽管取得了这些进步，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——但我们仍然不了解它们的一切。物理学家想要解决的一个巨大难题是质子的自旋，”领导机器学习小组的物理学家 Ben Nachman 说。能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)物理部。

了解质子自旋的方式和原因可能会带来我们今天甚至无法想象的技术进步，并帮助我们了解强力，这是赋予所有质子和原子质量的基本属性。

但这不是一个容易解决的问题。一方面，你不能准确地拿起一个质子并将其放入培养皿中：质子非常小——它们的半径只有一米的万亿分之一米，可见光可以直接穿过它们。更重要的是，你甚至无法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让我们更接近解决这个令人困惑的质子难题。

作为 H1 Collaboration 的成员，该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，以加速对收集的数据的分析几十年前，HERA 是世界上最强大的电子质子对撞机，于 1992 年至 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，可以将电子和质子加速到接近光速。粒子正面碰撞，这可以将质子散射到其组成部分：夸克和胶子。

HERA 的科学家通过称为粒子探测器的精密相机(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，物理学家称之为“深度非弹性散射” 。

揭开强大力量的秘密

H1 于 2007 年停止收集数据，也就是 HERA 退役的那一年。今天，H1 Collaboration 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都加速到接近光速。粒子正面碰撞，这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(显示为黑色线圈)。学分：DESY

使用传统的计算技术来测量与质子结构和强力相关的量可能需要一年或更长时间，例如当质子与电子碰撞时会产生多少粒子。

如果研究人员想要检查不同的数量，例如粒子在夸克胶子喷射流之后的飞行速度，他们将不得不重新开始漫长的计算过程，并再等一年。

Nachman 共同开发的一种名为 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做到这一点。(神经网络是一种机器学习工具，可以处理科学家无法手动完成的复杂数据。)

Nachman 和他的团队在 6 月的《物理评论快报》杂志上以及最近的 2022 年深度非弹性散射 (DIS) 会议上首次将 OmniFold 应用于 H1 实验数据。

为了开发 OmniFold 并测试其针对 H1 数据的稳健性，Nachman 和 Vinicius Mikuni 是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，也是 NERSC 百亿级科学应用程序学习计划Nachman 说，他的同事需要一台配备许多强大 GPU(图形处理单元)的超级计算机。

巧合的是，Perlmutter 是一种新型超级计算机，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，它刚刚在 2021 年夏天开放，进入“早期科学阶段”，允许科学家在真实数据。(Perlmutter 超级计算机以伯克利实验室的宇宙学家和诺贝尔奖获得者 Saul Perlmutter 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从数据处理到结果推导的所有分析步骤。这项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，”同时也是 H1 协作组成员的 Mikuni 说。

这些测量的核心任务是考虑探测器失真。H1 探测器就像在售罄的音乐会场入口处站岗的警卫一样，在粒子飞过时对其进行监测。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——有点像没有票的音乐会观众跳过不受监控的栅栏，而不是通过有票的安全门进入。

由于当时可用的计算方法有限，不可能同时校正所有失真。“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长足的进步，因此今天，科学家们可以利用新的见解来分析 H1 数据，”纳赫曼说。

今天的科学家们对 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，例如在Energy 的下一代电子离子对撞机 (EIC)。

EIC——将在布鲁克海文国家实验室与托马斯杰斐逊国家加速器设施合作建造——将是一种功能强大且用途广泛的新机器，能够将极化电子的高能束与各种离子(或带电原子)碰撞。许多能量，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仍然存在的关于强力的问题，这是令人兴奋的，”纳赫曼说。

“尽管这项工作可能不会在短期内带来实际应用，但了解自然的组成部分是我们来这里的原因——寻求终极真理。这些是在最基本的层面上了解一切是由什么构成的步骤. 这就是我的动力。如果我们现在不进行研究，我们将永远不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。”