Visualisering af protonen gennem animation og film

Prøv at forestille dig en proton - den lille, positivt ladede partikel i en atomkerne - og du kan forestille dig et velkendt lærebogsdiagram:et bundt billardkugler, der repræsenterer kvarker og gluoner. Fra den solide sfæremodel, der først blev foreslået af John Dalton i 1803, til den kvantemodel, der blev fremsat af Erwin Schrödinger i 1926, er der en historisk tidslinje af fysikere, der forsøger at visualisere det usynlige.

Nu er MIT professor i fysik Richard Milner, Jefferson Laboratory fysikere Rolf Ent og Rik Yoshida, MIT dokumentarfilmskabere Chris Boebel og Joe McMaster, og Sputnik Animations James LaPlante gået sammen om at skildre den subatomære verden på en ny måde. Præsenteret af MIT Center for Art, Science &Technology (CAST) og Jefferson Lab, "Visualizing the Proton" er en original animation af protonen, beregnet til brug i gymnasieklasser. Ent og Milner præsenterede animationen i bidragede foredrag på aprilmødet i American Physics Society og delte den også ved en fællesskabsbegivenhed arrangeret af MIT Open Space Programming den 20. april. Ud over animationen en kort dokumentarfilm om samarbejdsprocessen er i gang.

Det er et projekt, som Milner og Ent har tænkt på siden mindst 2004, da Frank Wilczek, Herman Feshbach professor i fysik ved MIT, delte en animation i sit Nobelforedrag om kvantekromodynamik (QCD), en teori, der forudsiger eksistensen af ​​gluoner i protonen. "Der er en enorm stærk MIT-afstamning til emnet," påpeger Milner og refererer også til Nobelprisen i fysik i 1990, tildelt Jerome Friedman og Henry Kendall fra MIT og Richard Taylor fra SLAC National Accelerator Laboratory for deres banebrydende forskning, der bekræfter eksistensen af kvarker.

For det første troede fysikerne, at animation ville være et effektivt medie til at forklare videnskaben bag Electron Ion Collider, en ny partikelaccelerator fra US Department of Energy Office of Science - som mange MIT-fakultetet, herunder Milner, såvel som kolleger som Ent , længe har slået til lyd for. Desuden er stadig gengivelser af protonen i sagens natur begrænset, ude af stand til at afbilde kvarker og gluoners bevægelse. "Væsentlige dele af fysikken involverer animation, farve, partikler, der udsletter og forsvinder, kvantemekanik, relativitet. Det er næsten umuligt at formidle dette uden animation," siger Milner.

I 2017 blev Milner præsenteret for Boebel og McMaster, som igen trak LaPlante ombord. Milner "havde en intuition om, at en visualisering af deres kollektive arbejde ville være virkelig, virkelig værdifuld," husker Boebel om projektets begyndelse. De søgte om et CAST-fakultetsbevilling, og holdets idé begyndte at komme til live.

"CAST-udvælgelseskomitéen var fascineret af udfordringen og så det som en vidunderlig mulighed for at fremhæve processen involveret i at lave animationen af ​​protonen såvel som selve animationen," siger Leila Kinney, administrerende direktør for kunstinitiativer og for CAST. "Ægte kunst-videnskabelige samarbejder er mere komplekse end videnskabskommunikation eller videnskabsvisualiseringsprojekter. De involverer at samle forskellige, lige så sofistikerede måder at gøre kreative opdagelser og fortolkende beslutninger på. Det er vigtigt at forstå de muligheder, begrænsninger og valg, der allerede er indlejret i visuel teknologi udvalgt til at visualisere protonen. Vi håber, at folk kommer derfra med en bedre forståelse af visuel fortolkning som en metode til kritisk undersøgelse og videnproduktion samt fysik."

Boebel og McMaster filmede processen med at skabe sådan en visuel fortolkning bag kulisserne. "Det er altid udfordrende, når man samler mennesker, som virkelig er eksperter i verdensklasse, men fra forskellige verdener, og beder dem om at tale om noget teknisk," siger McMaster om holdets bestræbelser på at producere noget både videnskabeligt præcist og visuelt tiltalende. "Deres entusiasme er virkelig smittende."

I februar 2020 bød animator LaPlante forskerne og filmskaberne velkommen til sit studie i Maine for at dele sin første idé. Selvom forståelsen af ​​kvantefysikkens verden udgjorde en unik udfordring, forklarer han, "En af de fordele, jeg har, er, at jeg ikke kommer fra en videnskabelig baggrund. Mit mål er altid at vikle mit hoved om videnskaben og derefter finde ud af, "OK, hvordan ser det ud?"

Gluoner er for eksempel blevet beskrevet som fjedre, elastikker og støvsugere. LaPlante forestillede sig partiklen, der menes at holde kvarker sammen, som en balje med slim. Hvis du sætter din lukkede knytnæve ind og prøver at åbne den, skaber du et vakuum af luft, hvilket gør det sværere at åbne din knytnæve, fordi det omgivende materiale vil rulle den ind.

LaPlante blev også inspireret til at bruge sin 3D-software til at "fryse tid" og flyve rundt om en ubevægelig proton, kun for fysikerne at informere ham om, at en sådan fortolkning var unøjagtig baseret på de eksisterende data. Partikelacceleratorer kan kun detektere en todimensional skive. Faktisk er tredimensionelle data noget, videnskabsmænd håber at fange i deres næste fase af eksperimenter. De var alle stødt op af den samme mur – og det samme spørgsmål – på trods af at de nærmede sig emnet på helt forskellige måder.

"Min kunst handler i virkeligheden om klarhed i kommunikation og at forsøge at få kompleks videnskab til noget, der er forståeligt," siger LaPlante. Ligesom i videnskaben er det ofte det første skridt i hans kunstneriske proces at gå galt. Men hans første forsøg på animationen var et hit hos fysikerne, og de forfinede begejstret projektet over Zoom.

"Der er to grundlæggende knapper, som eksperimentalister kan ringe til, når vi spreder en elektron fra en proton ved høj energi," forklarer Milner, ligesom rumlig opløsning og lukkerhastighed i fotografering. "Disse kameravariabler har direkte analogier i fysikernes matematiske sprog, der beskriver denne spredning."

Når "eksponeringstiden" eller Bjorken-X, som i QCD er den fysiske fortolkning af den del af protonens momentum, der bæres af én kvark eller gluon, sænkes, ser man protonen som et næsten uendeligt antal gluoner og kvarker, der bevæger sig meget hurtigt. Hvis Bjorken-X er rejst, ser du tre klatter, eller Valence-kvarker, i rød, blå og grøn. Når den rumlige opløsning vælges, går protonen fra at være et sfærisk objekt til et pandekageformet objekt.

"Vi tror, ​​vi har opfundet et nyt værktøj," siger Milner. "Der er grundlæggende videnskabelige spørgsmål:Hvordan er gluonerne fordelt i en proton? Er de ensartede? Er de sammenklumpede? Vi ved det ikke. Det er grundlæggende, grundlæggende spørgsmål, som vi kan animere. Vi tror, ​​det er et værktøj til kommunikation, forståelse og videnskabelig diskussion.

"Dette er starten. Jeg håber, folk ser det rundt om i verden, og de bliver inspireret." + Udforsk yderligere

Undersøgelse af oprindelsen af ​​protonspin

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.