Movies

Het proton visualiseren door middel van animatie en film

De quarkstructuur van het proton. Het bevat twee up-quarks en één down-quark. De sterke kracht wordt gemedieerd door gluonen (golvend). De sterke kracht heeft drie soorten ladingen, de zogenaamde rood, groen en blauw. Merk op dat de keuze van groen voor de down-quark willekeurig is; de “kleurlading” wordt geacht te stromen tussen de drie quarks. Krediet: Arpad Horvath/Wikipedia

Probeer je een proton voor te stellen – het kleine positief geladen deeltje in een atoomkern – en je kunt je een klassiek en bekend patroon voorstellen: een bundel biljartballen die quarks en gluonen voorstellen. Van het massieve bolmodel dat voor het eerst werd voorgesteld door John Dalton in 1803 tot het kwantummodel dat werd voorgesteld door Erwin Schrödinger in 1926, er is een historische tijdlijn van natuurkundigen die proberen het onzichtbare te visualiseren.

Nu werken MIT-professor natuurkunde Richard Milner, Jefferson Laboratory-fysici Rolf Ent en Rik Yoshida, MIT-documentairemakers Chris Boebel en Joe McMaster en James LaPlante van Sputnik Animation samen om de subatomaire wereld op een nieuwe manier in beeld te brengen. Gebracht door het MIT Center for Art, Science & Technology (CAST) en Jefferson Lab, “Visualizing the Proton” is een originele animatie van het proton, bedoeld voor gebruik in klaslokalen op de middelbare school. Ent en Milner presenteerden de animatie tijdens gesprekken tijdens de aprilbijeenkomst van de American Physics Society en deelden het ook op een gemeenschapsevenement georganiseerd door MIT Open Space Programming op 20 april. Naast de animatie is er een korte documentaire over het samenwerkingsproces in de maak.

Het is een project waar Milner en Ent aan denken sinds minstens 2004, toen Frank Wilczek, Herman Feshbach-hoogleraar natuurkunde aan het MIT, een animatie deelde in zijn Nobellezing over kwantumchromodynamica (QCD), een theorie die het bestaan ​​van gluonen voorspelt. in het proton. “Er is een extreem sterke MIT-afstamming over dit onderwerp”, merkt Milner op, ook verwijzend naar de 1990 Nobelprijs voor natuurkunde, toegekend aan Jerome Friedman en Henry Kendall van MIT en Richard Taylor van het SLAC National Accelerator Laboratory voor hun onderzoek. het bestaan ​​van quarks bevestigen.

Om te beginnen dachten natuurkundigen dat animatie een effectieve manier zou zijn om de wetenschap achter de Electron Ion Collider uit te leggen, een nieuwe deeltjesversneller van het Amerikaanse Department of Energy’s Office of Science, die veel MIT-professoren, waaronder Milner, samen met collega’s als Ent, hebben lang gepleit. Bovendien zijn bewegingsloze weergaven van het proton inherent beperkt en kunnen ze de beweging van quarks en gluonen niet weergeven. “De kernonderdelen van de natuurkunde zijn animatie, kleur, de vernietiging en verdwijning van deeltjes, kwantummechanica, relativiteit. Het is bijna onmogelijk om dat zonder animatie over te brengen”, zegt Milner.

In 2017 maakte Milner kennis met Boebel en McMaster, die op hun beurt LaPlante aan boord namen. Milner “had het vermoeden dat een visualisatie van hun collectieve werk heel, heel waardevol zou zijn”, herinnert Boebel zich over de begindagen van het project. Ze vroegen een CAST-faculteitsbeurs aan en het idee voor het team begon tot leven te komen.






Krediet: Massachusetts Institute of Technology

“De CAST-selectiecommissie was geïntrigeerd door de uitdaging en zag het als een prachtige kans om het proces te benadrukken dat betrokken is bij het bereiken van de animatie van het proton en de animatie zelf”, zegt Leila Kinney. , Executive Director of Arts Initiatives en CAST. “Echte samenwerkingen tussen kunst en wetenschap zijn complexer dan projecten voor wetenschapscommunicatie of wetenschapsvisualisatie. Ze omvatten het samenbrengen van verschillende en even geavanceerde manieren van creatieve ontdekking en interpretatieve besluitvorming. Het is belangrijk om de mogelijkheden, limieten en keuzes te begrijpen die al zijn ingebouwd in de geselecteerde visuele technologie voor het visualiseren van het proton. We hopen dat mensen een beter begrip zullen krijgen van visuele interpretatie als een manier van kritisch onderzoek en kennisproductie, evenals natuurkunde.

Boebel en McMaster filmden het proces van het creëren van zo’n visuele interpretatie van achter de schermen. “Het is altijd een uitdaging om mensen samen te brengen die echt experts van wereldklasse zijn, maar uit verschillende vakgebieden, en ze over iets technischs te laten praten”, zegt McMaster over de inspanningen van het team om iets te produceren dat zowel wetenschappelijk nauwkeurig als visueel aantrekkelijk is. “Hun enthousiasme is echt aanstekelijk.”

In februari 2020 ontving animator LaPlante de wetenschappers en filmmakers in zijn studio in Maine om zijn eerste idee te delen. Hoewel het begrijpen van de wereld van de kwantumfysica een unieke uitdaging vormde, legt hij uit: “Een van de voordelen die ik heb, is dat ik geen wetenschappelijke achtergrond heb. Mijn doel is altijd om de wetenschap te begrijpen en dan te begrijpen: “Ok, nou , Hoe ziet het eruit?”

Gluonen zijn bijvoorbeeld beschreven als veren, elastiekjes en holtes. LaPlante stelde zich het deeltje, dat de quarks bij elkaar moest houden, voor als een modderpoel. Als je je gebalde vuist plaatst en probeert deze te openen, creëer je een luchtspleet, waardoor het moeilijker wordt voor je vuist om te openen omdat het omringende materiaal zich eromheen wil wikkelen.

LaPlante werd ook geïnspireerd om zijn 3D-software te gebruiken om “de tijd te bevriezen” en rond een stationair proton te vliegen, maar werd door natuurkundigen geïnformeerd dat een dergelijke interpretatie onnauwkeurig was op basis van bestaande gegevens. Deeltjesversnellers kunnen alleen een tweedimensionaal plakje detecteren. In feite is driedimensionale gegevens iets dat wetenschappers hopen vast te leggen in hun volgende fase van experimenten. Ze liepen allemaal tegen dezelfde muur – en dezelfde vraag – aan, hoewel ze het onderwerp op een heel andere manier benaderden.







Credit: Animatie met dank aan het team “Visualizing the Proton”

“Mijn kunst gaat echt over heldere communicatie en proberen complexe wetenschap tot iets begrijpelijks te brengen”, zegt LaPlante. Net als in de wetenschap is ongelijk hebben vaak de eerste stap in zijn artistieke proces. Zijn eerste poging tot animatie was echter een hit bij natuurkundigen en ze verfijnden het project enthousiast via Zoom.

“Er zijn twee basisknoppen die onderzoekers kunnen draaien wanneer we een elektron uit een hoogenergetisch proton verstrooien”, zegt Milner, net zoals ruimtelijke resolutie en sluitertijd in fotografie. “Deze cameravariabelen hebben directe analogieën in de wiskundige taal van natuurkundigen die deze verstrooiing beschrijven.”

Wanneer de “blootstellingstijd”, of Bjorken-X, wat in QCD de fysieke interpretatie is van de fractie van het momentum van het proton gedragen door een quark of gluon, wordt verlaagd, zie je het proton als een getal van bijna oneindig veel gluonen en quarks die bewegen erg snel. Als Bjorken-X wordt opgeheven, zie je drie blobs, of Valence-quarks, in rood, blauw en groen. Naarmate de ruimtelijke resolutie wordt afgestemd, verandert het proton van een bolvormig object in een pannenkoekobject.

“We denken dat we een nieuwe tool hebben uitgevonden”, zegt Milner. “Er zijn fundamentele wetenschappelijke vragen: hoe worden gluonen verdeeld in een proton? Zijn ze uniform? Zijn ze samengeklonterd? We weten het niet. en wetenschappelijke discussie.

“Het is het begin. Ik hoop dat mensen over de hele wereld het zullen zien en geïnspireerd zullen raken.”


Onderzoek de oorsprong van protonspin


Geleverd door het Massachusetts Institute of Technology

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.

Citaat: Het proton visualiseren door middel van animatie en film (2022, 26 april) opgehaald op 26 april 2022 van https://phys.org/news/2022-04-visualizing-proton-animation.html

Op dit document rust copyright. Behalve voor redelijk gebruik voor privé-studie- of onderzoeksdoeleinden, mag niets worden gereproduceerd zonder schriftelijke toestemming. De inhoud wordt alleen ter informatie verstrekt.

About the author

samoda

Leave a Comment