[카테고리:] 기술

전기력은 양전하에서 음전하로 이동하기 때문에 한때 과학자들은 자기권이 아침에는 양전하를 띠고 저녁에는 음전하를 띤다고 가정했습니다. 그러나 최근 위성 측정을 통해 이러한 오랜 생각이 뒤집혀 실제 전하 분포가 예상했던 것과 반대라는 사실이 밝혀졌습니다.

이 놀라운 발견으로 인해 교토 대학, 나고야 대학, 규슈 대학의 연구자들은 자기권의 전기적 특성이 어떻게 형성되고 유지되는지 재검토하게 되었습니다.

가설을 테스트하기 위해 팀은 대규모 자기유체역학(MHD) 시뮬레이션을 사용하여 지구 근처 공간의 조건을 재현했습니다. 그들의 모델에는 고속 태양풍, 즉 태양에서 방출되는 하전 입자의 지속적인 흐름이 포함되었습니다. 결과는 최근 위성 관측을 뒷받침하며, 자기권의 아침 쪽은 음전하를 띠고 반대쪽은 양전하를 띠고 있음을 보여줍니다. 하지만 이 패턴이 모든 곳에 적용되는 것은 아닙니다.

극지방에서는 전하 극성이 전통적인 이론과 일치합니다. 그러나 적도 근처에서는 패턴이 넓은 영역에 걸쳐 뒤집어져 두 영역 사이에 눈에 띄는 차이가 생깁니다.

플라즈마 모션으로 미스터리를 설명하다

“기존 이론에서는 적도면과 극지방 위의 전하 극성이 동일해야 합니다. 그렇다면 왜 이 영역들 사이에 반대 극성이 보이는가? 이는 실제로 플라즈마의 움직임으로 설명될 수 있습니다”라고 해당 저자인 교토 대학의 Yusuke Ebihara는 설명합니다.

태양의 자기 에너지가 지구 자기장에 들어가면 행성의 황혼 쪽에서 시계 방향으로 움직이며 극쪽으로 이동합니다. 한편, 지구의 자기장선은 남반구에서 북반구까지, 즉 적도 근처에서는 위쪽으로, 극 근처에서는 아래쪽으로 이어집니다. 자기장과 플라즈마 흐름 사이의 이러한 반대 방향은 영역 간의 전하 분포의 역전을 초래합니다.

“전기력과 전하 분포는 둘 다 플라즈마 운동의 원인이 아닌 결과입니다”라고 Ebihara는 말합니다. 이 통찰력은 과학자들이 지구의 가까운 우주 환경에서 전기 활동을 해석하는 방법을 재구성합니다.

행성 과학에 대한 더 넓은 의미

플라즈마 대류(자기권 내 전하 입자의 대규모 흐름)는 많은 동적 공간 현상을 유발합니다. 최근 연구에 따르면 이러한 움직임은 빠르게 움직이는 고에너지 입자로 가득 찬 지역인 지구의 복사대에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.

플라즈마 운동이 전기장을 형성하는 방식을 명확히 함으로써 이 연구는 대규모 공간 플라즈마 동작에 대한 이해를 심화시킵니다. 또한 목성과 토성을 포함한 다른 자기화된 세계 주변에서 발생하는 유사한 과정에 대해 조명하여 태양계 전반에 걸쳐 행성 환경이 어떻게 진화하는지에 대한 이해를 넓힙니다.

유성은 작은 먼지, 자갈, 암석 조각이 지구 대기권에 진입하면서 타버릴 때 빛나는 줄무늬로 나타납니다. 황소자리 유성은 태양 주위를 돌며 경로를 따라 물질의 흐름을 흘리는 혜성 엔케(Encke)가 남긴 잔해에서 나옵니다. 매년 두 번, 지구는 이 잔해 지대를 통과합니다. 한 번은 타우리드가 밤을 밝힐 때 할로윈 근처에 있고, 6월에는 베타 타우리드가 낮 시간에 발생하는 때입니다. 6월의 유성은 유난히 밝은 불덩이를 생성하지 않는 한 거의 눈에 띄지 않습니다.

위험에 대한 질문: 더 큰 황소자리가 가까워지면 어떻게 될까요?

과학자들은 오랫동안 타우리드 흐름을 연구해 왔지만 Mark Boslough 연구 교수가 주도한 최근 연구에서는 잠재적인 위험에 대해 자세히 살펴보았습니다. 에 출판된 논문 액타 애스트로노티카 남아프리카 케이프 타운에서 열린 행성 방어 회의 절차의 일부로 “타우리드 흐름의 NEO로 인한 2032년 및 2036년 위험 향상: 위험에 영향을 미치는 중요한 일관된 구성 요소가 있습니까?”라는 제목이 붙었습니다. 이 연구는 타우리드 흐름이 향후 수십 년 동안 지구 근처 물체(NEO)의 영향 가능성을 증가시킬 수 있는지 여부를 조사합니다.

Boslough는 “행성 방어는 지구 근접 물체(NEO)의 영향으로부터 지구와 주민을 보호하기 위한 다학문적, 국제적으로 조정된 노력입니다.”라고 말했습니다. “NEO를 발견하고 추적하기 위한 설문조사, 위험한 것을 특성화하기 위한 캠페인, 영향 영향 및 관련 결과를 이해하고 예측하기 위한 모델링 노력, 영향 회피 및/또는 민방위를 통한 완화가 필요합니다.”

NEO에는 소행성, 혜성 및 궤도가 태양 주위를 도는 지구의 경로에 가깝게 만드는 파편이 포함됩니다. 황소자리 유성우에 있는 것과 같은 작은 입자는 항상 대기로 유입되지만, 2013년 첼랴빈스크 폭발이나 1908년 퉁구스카 폭발과 같은 사건을 일으킬 수 있는 더 큰 입자는 훨씬 더 드뭅니다.

Taurid Stream 및 Airburst 위험 연구

Boslough의 연구는 Taurid 관찰 캠페인의 새로운 데이터를 통합했습니다. 결과는 에어버스트(airburst)로 알려진 대기 폭발을 일으킬 수 있는 지구 근처의 작은 물체가 예상보다 더 높은 위험을 초래할 수 있음을 시사합니다. 이번 연구는 또한 목성의 중력에 영향을 받는 파편 덩어리인 ‘타우리드 공명 떼'(TRS)의 잠재적 존재도 조사했다.

Boslough는 “공명 떼는 이론적인 것이지만 밝은 불덩어리와 달에 대한 충격의 지진 징후가 때때로 관찰되었기 때문에 작은 물체의 희박한 떼가 존재한다는 증거가 있습니다”라고 Boslough는 설명했습니다.

타우리드 흐름의 물체는 목성의 두 궤도마다 태양을 일곱 번 공전합니다. 공명이라고 불리는 이 패턴은 흐름이 일정한 간격으로 목성과 정렬된다는 것을 의미합니다. 행성의 강력한 중력은 조각들을 서로 끌어당겨 조밀한 그룹을 형성할 수 있습니다. 마치 탐사자의 팬에 소용돌이치는 금 입자가 모이는 것과 같습니다.

향후 접근 방식: 2032년 및 2036년

황소자리 떼가 존재한다면 2032년과 2036년에 지구 가까이로 지나갈 것으로 예상되며, 그 기간 동안 충돌 위험이 높아질 수 있습니다.

Boslough는 “우리의 연구 결과에 따르면 가상의 떼가 매우 가까이 접근할 2032년과 2036년에 표적 하늘 조사를 위해 기존 망원경을 사용하여 황소자리 공명 떼를 테스트할 수 있는 기술이 있다는 것”이라고 말했습니다.

이러한 물체가 존재한다면 지구를 놓치고 멀어지면서 망원경으로 볼 수 있을 것입니다. 첼랴빈스크나 퉁구스카 임팩터와 크기가 비슷한 더 큰 물체의 집중이 해당 창에서 잠재적으로 관찰될 수 있습니다.

SNL(Sandia National Laboratories)에 근무하는 동안 Boslough는 첼랴빈스크 폭발을 모델링하여 물체의 폭이 약 60피트이고 폭발력이 TNT의 약 0.5메가톤에 달하는 것으로 추정했습니다. 퉁구스카 폭발은 10배 더 강력해 추정 3~5메가톤을 방출했다.

“충분한 경고 시간 내에 물체를 발견하면 위험을 줄이거나 제거하기 위한 조치를 취할 수 있습니다. 새로운 적외선 망원경(NEO Surveyor)이 작동되면 잠재적으로 훨씬 더 많은 경고 시간을 가질 수 있습니다.”라고 그는 말했습니다.

이 연구는 행성 방어 노력의 일환으로 뉴멕시코 대학의 NASA와 로스앨러모스 국립연구소의 국가핵안보국(NNSA)의 지원을 받았습니다.

대비 및 대중 인식

Boslough는 대중이 날씨, 화재, 지진, 화산 등 모든 종류의 자연 재해에 대해 최신 정보를 얻고 올바른 관점을 유지할 것을 권장합니다.

“소행성 충돌은 작지만 심각한 위험을 의미하며 뉴멕시코의 국립 연구소는 이 문제를 해결하기 위해 최선을 다하고 있습니다.”라고 그는 말했습니다.

첼랴빈스크 사건에서 한 가지 교훈은 사람들이 밝은 섬광을 보기 위해 창문으로 달려갈 때 깨진 유리로 인해 대부분의 부상이 발생했다는 것입니다. Boslough는 뉴멕시코에서 비슷한 공습이 일어난다면 동일한 패턴이 발생할 가능성이 높다고 지적합니다. 전문가들은 창문에서 멀리 떨어져 폭발을 직접 보지 말 것을 권장합니다.

다음 타우리드 무리에서 기대할 수 있는 것

2032년에 가상의 떼가 접근하면 지구의 밤 시간에 접근하여 잠재적인 물체를 더 쉽게 관찰할 수 있게 될 것입니다. Boslough는 상당한 농도가 존재할 경우 공기 폭발이나 충격의 확률이 평소보다 높을 수 있지만 전체적인 확률은 매우 낮다고 말했습니다.

주간 불덩이도 발생하지만 햇빛에 대항하여 볼 수 있으려면 극도로 밝아야 합니다. “평균 확률은 극히 낮기 때문에 위험이 높아진다고 해도 확률은 여전히 ​​낮다는 것을 의미합니다. 2036년에는 떼가 태양 방향에서 올 것이므로 극도로 밝지 않으면 불덩이가 푸른 하늘에서 보이지 않을 것입니다.”라고 Boslough는 말했습니다.

영향에 대한 잘못된 정보에 맞서 싸우기

Socorro 근처의 Magdalena Ridge Observatory는 행성 방어 관측에 참여하고 있으며 Sandia와 Los Alamos는 모두 활동적인 프로그램을 운영하고 있습니다. Boslough는 사람들에게 잘못된 정보에 회의적이라고 경고합니다.

“이 주제에 관한 많은 거짓 정보와 신화가 소셜 미디어, 온라인 소스 및 선정적인 TV 쇼에 퍼졌습니다. 이 미디어는 대중에게 NEO, 영향 및 공중 폭발에 대한 잘못된 인상과 위험을 줄이기 위해 우리가 할 수 있는 일에 대해 잘못된 인상을 줍니다”라고 그는 말했습니다.

그는 또한 과학 기록의 잘못된 주장을 바로잡기 위해 노력했습니다. 그의 출판된 연구는 한 저널이 요르단의 고대 도시가 퉁구스카 규모의 공습으로 파괴되었다고 잘못 주장한 논문을 철회하도록 촉발하는 데 도움이 되었습니다. 그는 또한 타우리드 무리가 12,900년 전에 지구 기후 재앙을 일으켰다는 이론에 대한 자세한 반박을 공동 집필했습니다.

타우리드를 관찰하는 시기와 방법

올해 황소자리 유성우를 보고 싶은 사람들을 위해 Boslough는 달이 지평선 아래에 있는 할로윈 밤 오전 2시 이후에 올려다볼 것을 권장합니다. 11월 5일 다음 보름달이 뜨고 며칠 후, 타우리드는 월출 전 저녁 하늘에 다시 보일 것입니다.

이러한 노력을 주도하는 사람은 워털루 대학교 천체 물리학 워털루 센터의 박사후 연구원인 Marco Bonici 박사입니다. Bonici와 국제 팀은 Effort.jl을 만들었습니다. 유효장 이론 대용. 이 도구는 고급 수치 기술과 스마트 데이터 전처리 방법을 사용하여 우주론에서 요구되는 정확성을 유지하면서 탁월한 계산 성능을 제공합니다. 팀은 EFTofLSS(Effective Field Theory of Large-Scale Structure)를 위한 강력한 에뮬레이터로 이를 설계하여 연구자들이 그 어느 때보다 방대한 데이터 세트를 더 효율적으로 처리할 수 있도록 했습니다.

좌절을 혁신으로 전환

Effort.jl에 대한 아이디어는 시간이 많이 걸리는 컴퓨터 모델을 실행하는 Bonici의 경험에서 나왔습니다. 매개변수를 하나만 조정할 때마다 결과를 확인하는 데 며칠이 더 걸릴 수 있었습니다. 이러한 과제로 인해 그는 며칠이 아닌 몇 시간 만에 이러한 조정을 처리할 수 있는 더 빠르고 유연한 솔루션을 구축하게 되었습니다.

“Effort.jl을 사용하면 이전에는 많은 시간과 컴퓨터 성능이 필요했던 EFTofLSS와 같은 모델의 복잡한 데이터 세트를 실행할 수 있습니다”라고 Bonici는 설명했습니다. “DESI 및 Euclid와 같은 프로젝트를 통해 우주에 대한 지식을 확장하고 훨씬 더 큰 천문학적 데이터 세트를 만들어 탐색할 수 있는 Effort.jl을 통해 연구자들은 데이터의 미묘한 차이에 따라 작은 변경을 하면서 데이터를 더 빠르고 저렴하게 여러 번 분석할 수 있습니다.”

더 빠른 우주를 위한 더 스마트한 시뮬레이션

Effort.jl은 다음과 같은 도구 클래스에 속합니다. 에뮬레이터. 이는 대규모 리소스 집약적 시뮬레이션의 동작을 복제하지만 훨씬 더 빠르게 실행되는 훈련된 계산 바로가기입니다. 과학자들은 에뮬레이터를 사용하여 짧은 시간 안에 가능한 많은 우주 시나리오를 탐색하고 경사 기반 샘플링과 같은 고급 기술을 적용하여 복잡한 물리적 모델을 더 효율적으로 연구할 수 있습니다.

Bonici는 “우리는 EFTofLSS에서 나오는 예측과 Effort.jl에서 나오는 예측을 정렬하여 검증할 수 있었습니다.”라고 말했습니다. “오차 한계는 작았으며 Effort.jl에서 나오는 계산이 강력하다는 것을 보여주었습니다. Effort.jl은 데이터 왜곡과 같은 관측상의 문제도 처리할 수 있으며 연구원의 요구에 맞게 매우 쉽게 사용자 정의할 수 있습니다.”

인간의 전문 지식은 여전히 ​​중요합니다

인상적인 기능에도 불구하고 Effort.jl은 과학적 이해를 대체할 수 없습니다. 우주론자들은 매개변수를 설정하고, 결과를 해석하고, 의미 있는 결론을 보장하기 위해 물리적 통찰력을 적용하는 데 여전히 중요한 역할을 하고 있습니다. 전문 지식과 계산 능력의 결합이 시스템을 매우 효과적으로 만드는 것입니다.

앞으로 Effort.jl은 훨씬 더 큰 우주 데이터 세트를 처리하고 다른 분석 도구와 함께 작동할 것으로 예상됩니다. 연구원들은 또한 날씨 및 기후 모델링을 포함하여 천체물리학 이외의 영역에서도 이 방법의 잠재력을 확인하고 있습니다.

“Effort.jl: a fast and Differentiable Emulator for the Effective Field Theory of the Large Scale Structure of the Universe”라는 논문이 우주론 및 천체 물리학 저널.

실험실에서 미니 두뇌 키우기

에 설명된 연구에서 ACS 센서과학자들은 접시에서 작은 3차원 ‘미니 뇌’를 성공적으로 배양했습니다. 2년에 걸쳐 배양된 인간의 신경 세포는 증식하고 스스로 조직화되어 전기 활동을 생성할 수 있는 기능적인 오가노이드를 형성했습니다. 이 획기적인 발전을 통해 연구자들은 실험에 동물을 사용하지 않고도 뇌 세포가 어떻게 상호 작용하고 통신하는지 탐구할 수 있습니다. 미래의 발전으로 이러한 오가노이드가 뇌 기능을 연구하는 데 유용한 도구가 될 수도 있고, 연구자들이 농담으로 언급한 것처럼 “실험실에서 자란 좀비를 위한 점심 옵션”이 될 수도 있습니다.

거미에서 영감을 받은 장갑이 상처 드레싱을 회전시킵니다.

~ 안에 ACS 응용 재료 및 인터페이스과학자들은 거미로부터 영감을 얻어 초박형 폴리머 섬유를 방출하는 방적 돌기 같은 장치가 장착된 독특한 장갑을 만들었습니다. 본 발명을 통해 의료진은 부상 부위에 상처 드레싱을 실시간으로 직접 회전시킬 수 있습니다. 이러한 시스템은 병원, 스포츠 경기장 또는 전장 환경에서 특히 유용할 수 있습니다. 그리고 누군가 궁금해할 경우를 대비해 말씀드리자면, 이 실험에는 방사성 거미에 물린 일이 전혀 포함되지 않았습니다.

늑대사과 코팅으로 농산물을 더욱 신선하게 유지

보고하는 연구원 ACS 식품 과학 및 기술 브라질이 원산지이고 갈기늑대가 가장 좋아하는 과일인 늑대사과에서 추출한 전분은 음식을 보존하는 데 도움이 되는 천연 식용 코팅으로 변형될 수 있다는 사실을 발견했습니다. 아기 당근에 코팅을 적용하면 실온에서 최대 15일 동안 밝고 신선하게 유지됩니다. 이 소재는 보름달 여부에 관계없이 농산물의 유통기한을 연장할 수 있는 안전하고 비용 효율적인 방법을 제공합니다.

인간 망막에서 미세플라스틱 발견

~ 안에 ACS 환경 과학 및 기술 편지과학자들은 사후 인간 망막 12개(도롱뇽의 눈은 필요하지 않음)를 검사하고 모든 샘플에서 미세 플라스틱 입자를 발견했습니다. 플라스틱은 종류와 농도가 다양하여 이러한 섬세한 조직에서도 플라스틱이 얼마나 널리 퍼져 있는지를 보여줍니다. 연구원들은 이러한 발견이 미세 플라스틱이 시력과 전반적인 눈 건강에 어떤 영향을 미칠 수 있는지에 대한 향후 조사를 위한 중요한 토대를 마련했다고 말합니다.

처음으로 세계 최대 규모의 중성미자 실험 두 곳인 일본의 T2K와 미국의 NOvA가 데이터를 결합하여 우주를 채우지만 어떤 것과도 거의 상호작용하지 않는 거의 눈에 보이지 않는 입자인 중성미자 연구에서 전례 없는 정밀도를 달성했습니다.

최근에 발표된 공동 분석 자연중성미자가 우주를 여행하면서 한 유형에서 다른 유형으로 어떻게 변하는지에 대한 가장 정확한 측정값을 제공합니다. 이 이정표는 우주의 진화에 대한 우리의 이해를 심화시키거나 심지어 현재의 과학 이론에 도전할 수 있는 미래 연구의 길을 열어줍니다.

미시간 주립대학교의 물리학 및 천문학 교수이자 T2K의 공동 대변인인 Kendall Mahn이 협력 조정을 도왔습니다. 두 실험의 장점을 결합함으로써 팀은 둘 다 자체적으로는 도달할 수 없는 결과를 달성했습니다.

만씨는 “이것은 우리 분야의 큰 승리였다”고 말했다. “이것은 우리가 이러한 테스트를 수행할 수 있고 중성미자를 더 자세히 조사할 수 있으며 함께 작업하는 데 성공할 수 있음을 보여줍니다.”

물질이 존재하는 이유

물리학자들에 따르면, 초기 우주에는 동일한 양의 물질과 반물질이 포함되어 있었어야 했습니다. 그랬다면 둘은 서로를 완전히 멸망시켰을 것이다. 그러나 물질은 어떻게든 살아남았으며 그 이유에 대한 명확한 이유는 없습니다.

많은 연구자들은 끊임없이 우리를 통과하지만 거의 상호 작용하지 않는 작은 입자인 중성미자의 이상한 행동에 그 답이 숨겨져 있을 수 있다고 믿습니다. 이러한 입자가 움직일 때 “맛”이 바뀌는 중성미자 진동이라는 과정을 이해하면 물질이 반물질보다 승리한 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.

이 프로젝트에 참여했던 MSU 박사후 연구원인 Joseph Walsh는 “중성미자는 잘 이해되지 않았습니다.”라고 말했습니다. “그들의 질량이 매우 작다는 것은 그들이 자주 상호 작용하지 않는다는 것을 의미합니다. 태양에서 나온 수백 조 개의 중성미자는 매초 여러분의 몸을 통과하지만 거의 모두 곧바로 통과할 것입니다. 우리는 강력한 소스를 생성하거나 매우 큰 탐지기를 사용하여 우리가 보고 연구할 수 있도록 상호 작용할 수 있는 충분한 기회를 제공해야 합니다.”

실험의 작동 방식

T2K와 NOvA는 모두 장기 기준선 실험으로 알려져 있습니다. 각각은 두 개의 검출기로 집중된 중성미자 빔을 보냅니다. 하나는 소스 근처에 있고 다른 하나는 수백 마일 떨어져 있습니다. 두 검출기의 결과를 비교함으로써 과학자들은 중성미자가 어떻게 변화하는지 추적할 수 있습니다.

실험은 설계, 에너지, 거리가 다르기 때문에 데이터를 결합하면 연구자들이 더 완전한 그림을 얻을 수 있습니다.

NOvA 공동 작업자인 Liudmila Kolupaeva는 “공동 분석을 수행하면 각 실험만으로 생성할 수 있는 것보다 더 정확한 측정값을 얻을 수 있습니다.”라고 말했습니다. “원칙적으로 고에너지 물리학 실험은 동일한 과학적 목표를 갖고 있더라도 서로 다른 설계를 갖고 있습니다. 공동 분석을 통해 이러한 설계의 보완적인 기능을 사용할 수 있습니다.”

중성미자 질량의 수수께끼

이 연구의 주요 초점은 어떤 중성미자 유형이 가장 가벼운지를 묻는 ‘중성미자 질량 순서 지정’입니다. 이것은 저울로 입자의 무게를 재는 것만큼 간단하지 않습니다. 중성미자는 세 가지 질량 상태로 존재하며, 중성미자의 각 맛은 실제로 이러한 상태의 혼합입니다.

과학자들은 질량 배열이 “정상적인” 패턴(가벼운 두 개와 무거운 것 하나)을 따르는지 아니면 “역전된” 패턴(무거운 두 개와 가벼운 것 한 개)을 따르는지 확인하려고 노력하고 있습니다. 일반적인 경우, 뮤온 중성미자는 전자 중성미자가 될 가능성이 더 높은 반면, 반물질 파트너는 그렇게 될 가능성이 적습니다. 반전 패턴에서는 반전이 발생합니다.

중성미자와 반물질 사이의 불균형은 이러한 입자가 전하 패리티(CP) 대칭으로 알려진 원리를 위반한다는 것을 의미할 수 있습니다. 즉, 중성미자는 반대편 거울과 정확히 동일하게 행동하지 않는다는 의미입니다. 그러한 위반은 물질이 우주를 지배하는 이유를 설명할 수 있습니다.

결과가 보여주는 것

NOvA와 T2K의 결합된 결과는 아직 대량 주문을 결정적으로 가리키지 않습니다. 향후 연구에서 정상적인 순서가 확인된다면 과학자들은 CP 대칭이 깨졌는지 여부를 명확히 하기 위해 더 많은 데이터가 필요할 것입니다. 그러나 역순이 옳다고 입증된다면, 이 연구는 중성미자가 실제로 CP 대칭을 위반할 수 있으며 물질이 존재하는 이유에 대한 강력한 단서를 제공할 수 있음을 시사합니다.

중성미자가 CP 대칭을 위반하지 않는 것으로 밝혀지면 물리학자들은 물질의 존재에 대한 가장 강력한 설명 중 하나를 잃게 될 것입니다.

이러한 결과는 중성미자 미스터리를 완전히 해결하지는 못하지만, 과학자들이 파악하기 어려운 입자에 대해 알고 있는 지식을 확장하고 물리학 분야의 국제 협력의 힘을 보여줍니다.

NOvA 협력에는 8개국 49개 기관의 250명 이상의 과학자와 엔지니어가 포함됩니다. T2K 팀에는 15개국 75개 기관의 560명 이상의 구성원이 참여하고 있습니다. 두 그룹은 2019년부터 이 분석 작업을 시작하여 8년간의 NOvA 데이터와 10년간의 T2K 결과를 병합했습니다. 두 실험 모두 향후 업데이트를 위해 계속해서 새로운 정보를 수집합니다.

T2K 공동 작업자인 Tomáš Nosek은 “이러한 결과는 중성미자 물리학, 탐지 기술 및 분석 기술 분야의 많은 전문가가 참여하고 매우 다른 환경에서 작업하며 다양한 방법과 도구를 사용하는 두 가지 고유한 협업에 대한 협력과 상호 이해의 결과입니다.”라고 말했습니다.

처음으로 세계 최대 규모의 중성미자 실험 두 곳인 일본의 T2K와 미국의 NOvA가 데이터를 결합하여 우주를 채우지만 어떤 것과도 거의 상호작용하지 않는 거의 눈에 보이지 않는 입자인 중성미자 연구에서 전례 없는 정밀도를 달성했습니다.

최근에 발표된 공동 분석 자연중성미자가 우주를 여행하면서 한 유형에서 다른 유형으로 어떻게 변하는지에 대한 가장 정확한 측정값을 제공합니다. 이 이정표는 우주의 진화에 대한 우리의 이해를 심화시키거나 심지어 현재의 과학 이론에 도전할 수 있는 미래 연구의 길을 열어줍니다.

미시간 주립대학교의 물리학 및 천문학 교수이자 T2K의 공동 대변인인 Kendall Mahn이 협력 조정을 도왔습니다. 두 실험의 장점을 결합함으로써 팀은 둘 다 자체적으로는 도달할 수 없는 결과를 달성했습니다.

만씨는 “이것은 우리 분야의 큰 승리였다”고 말했다. “이것은 우리가 이러한 테스트를 수행할 수 있고 중성미자를 더 자세히 조사할 수 있으며 함께 작업하는 데 성공할 수 있음을 보여줍니다.”

물질이 존재하는 이유

물리학자들에 따르면, 초기 우주에는 동일한 양의 물질과 반물질이 포함되어 있었어야 했습니다. 그랬다면 둘은 서로를 완전히 멸망시켰을 것이다. 그러나 물질은 어떻게든 살아남았으며 그 이유에 대한 명확한 이유는 없습니다.

많은 연구자들은 끊임없이 우리를 통과하지만 거의 상호 작용하지 않는 작은 입자인 중성미자의 이상한 행동에 그 답이 숨겨져 있을 수 있다고 믿습니다. 이러한 입자가 움직일 때 “맛”이 바뀌는 중성미자 진동이라는 과정을 이해하면 물질이 반물질보다 승리한 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.

이 프로젝트에 참여했던 MSU 박사후 연구원인 Joseph Walsh는 “중성미자는 잘 이해되지 않았습니다.”라고 말했습니다. “그들의 질량이 매우 작다는 것은 그들이 자주 상호 작용하지 않는다는 것을 의미합니다. 태양에서 나온 수백 조 개의 중성미자는 매초 여러분의 몸을 통과하지만 거의 모두 곧바로 통과할 것입니다. 우리는 강력한 소스를 생성하거나 매우 큰 탐지기를 사용하여 우리가 보고 연구할 수 있도록 상호 작용할 수 있는 충분한 기회를 제공해야 합니다.”

실험의 작동 방식

T2K와 NOvA는 모두 장기 기준선 실험으로 알려져 있습니다. 각각은 두 개의 검출기로 집중된 중성미자 빔을 보냅니다. 하나는 소스 근처에 있고 다른 하나는 수백 마일 떨어져 있습니다. 두 검출기의 결과를 비교함으로써 과학자들은 중성미자가 어떻게 변화하는지 추적할 수 있습니다.

실험은 설계, 에너지, 거리가 다르기 때문에 데이터를 결합하면 연구자들이 더 완전한 그림을 얻을 수 있습니다.

NOvA 공동 작업자인 Liudmila Kolupaeva는 “공동 분석을 수행하면 각 실험만으로 생성할 수 있는 것보다 더 정확한 측정값을 얻을 수 있습니다.”라고 말했습니다. “원칙적으로 고에너지 물리학 실험은 동일한 과학적 목표를 갖고 있더라도 서로 다른 설계를 갖고 있습니다. 공동 분석을 통해 이러한 설계의 보완적인 기능을 사용할 수 있습니다.”

중성미자 질량의 수수께끼

이 연구의 주요 초점은 어떤 중성미자 유형이 가장 가벼운지를 묻는 ‘중성미자 질량 순서 지정’입니다. 이것은 저울로 입자의 무게를 재는 것만큼 간단하지 않습니다. 중성미자는 세 가지 질량 상태로 존재하며, 중성미자의 각 맛은 실제로 이러한 상태의 혼합입니다.

과학자들은 질량 배열이 “정상적인” 패턴(가벼운 두 개와 무거운 것 하나)을 따르는지 아니면 “역전된” 패턴(무거운 두 개와 가벼운 것 한 개)을 따르는지 확인하려고 노력하고 있습니다. 일반적인 경우, 뮤온 중성미자는 전자 중성미자가 될 가능성이 더 높은 반면, 반물질 파트너는 그렇게 될 가능성이 적습니다. 반전 패턴에서는 반전이 발생합니다.

중성미자와 반물질 사이의 불균형은 이러한 입자가 전하 패리티(CP) 대칭으로 알려진 원리를 위반한다는 것을 의미할 수 있습니다. 즉, 중성미자는 반대편 거울과 정확히 동일하게 행동하지 않는다는 의미입니다. 그러한 위반은 물질이 우주를 지배하는 이유를 설명할 수 있습니다.

결과가 보여주는 것

NOvA와 T2K의 결합된 결과는 아직 대량 주문을 결정적으로 가리키지 않습니다. 향후 연구에서 정상적인 순서가 확인된다면 과학자들은 CP 대칭이 깨졌는지 여부를 명확히 하기 위해 더 많은 데이터가 필요할 것입니다. 그러나 역순이 옳다고 입증된다면, 이 연구는 중성미자가 실제로 CP 대칭을 위반할 수 있으며 물질이 존재하는 이유에 대한 강력한 단서를 제공할 수 있음을 시사합니다.

중성미자가 CP 대칭을 위반하지 않는 것으로 밝혀지면 물리학자들은 물질의 존재에 대한 가장 강력한 설명 중 하나를 잃게 될 것입니다.

이러한 결과는 중성미자 미스터리를 완전히 해결하지는 못하지만, 과학자들이 파악하기 어려운 입자에 대해 알고 있는 지식을 확장하고 물리학 분야의 국제 협력의 힘을 보여줍니다.

NOvA 협력에는 8개국 49개 기관의 250명 이상의 과학자와 엔지니어가 포함됩니다. T2K 팀에는 15개국 75개 기관의 560명 이상의 구성원이 참여하고 있습니다. 두 그룹은 2019년부터 이 분석 작업을 시작하여 8년간의 NOvA 데이터와 10년간의 T2K 결과를 병합했습니다. 두 실험 모두 향후 업데이트를 위해 계속해서 새로운 정보를 수집합니다.

T2K 공동 작업자인 Tomáš Nosek은 “이러한 결과는 중성미자 물리학, 탐지 기술 및 분석 기술 분야의 많은 전문가가 참여하고 매우 다른 환경에서 작업하며 다양한 방법과 도구를 사용하는 두 가지 고유한 협업에 대한 협력과 상호 이해의 결과입니다.”라고 말했습니다.

전통적으로 다이아몬드 생산에는 엄청난 압력과 온도에서 다이아몬드 형태가 안정적인 경우 또는 그렇지 않은 경우 화학 기상 증착을 사용하여 탄소를 변환하는 작업이 포함됩니다. 도쿄대학교 화학과의 나카무라 에이이치(Eiichi Nakamura) 교수와 그의 팀은 다른 길을 추구했습니다. 그들은 아다만테인(C)으로 알려진 분자에 제어된 전자 조사를 사용하여 저압 기술을 테스트했습니다.₁₀시간₁₆).

Adamantane은 다이아몬드의 사면체 구조를 반영하는 탄소 골격을 갖고 있어 나노다이아몬드 형성을 위한 매력적인 출발 물질이 됩니다. 그러나 아다만탄을 다이아몬드로 변환하려면 과학자들은 수소 원자(CH 결합)를 정확하게 제거하고 이를 탄소-탄소(CC) 연결로 대체하여 원자를 3차원 다이아몬드 격자로 배열해야 합니다. 이 반응 경로는 이론상으로는 알려져 있었지만 “진짜 문제는 아무도 그것이 가능하다고 생각하지 않았다는 점”이라고 나카무라는 설명했다.

실시간으로 다이아몬드 형성 관찰

질량 분석법을 사용한 초기 연구에서는 단일 전자 이온화가 CH 결합을 끊는 데 도움이 될 수 있지만 이 방법은 기체상의 구조만 추론할 수 있고 고체 생성물을 분리할 수 없다는 것을 나타냈습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 Nakamura 연구팀은 원자 분해능으로 물질을 이미지화할 수 있는 도구인 투과전자현미경(TEM)으로 눈을 돌렸습니다. 그들은 작은 아다만탄 결정을 진공 상태에서 100-296 켈빈 사이의 온도에서 80-200 킬로전자 볼트의 전자빔에 몇 초 동안 노출시켰습니다.

이 설정을 통해 팀은 나노다이아몬드 형성 과정을 직접 관찰할 수 있었습니다. 전자 조사가 어떻게 중합과 구조 조정을 유도하는지 입증하는 것 외에도, 실험에서는 다른 유기 분자의 제어된 반응을 연구할 수 있는 TEM의 잠재력도 밝혀졌습니다.

합성화학과 계산화학 분야에서 수십 년을 보낸 나카무라에게 이 프로젝트는 오랜 목표의 정점을 의미했습니다. 그는 “계산 데이터는 ‘가상’ 반응 경로를 제공하는데, 나는 그것을 눈으로 보고 싶었다”고 말했다. 많은 사람들은 전자빔이 유기 분자를 파괴할 것이라고 믿었지만 2004년 이후 나카무라의 끈기는 올바른 조건에서 전자빔이 대신 안정적이고 예측 가능한 반응을 유발할 수 있음을 보여주었습니다.

빔 아래에 나노다이아몬드 만들기

장시간 노출 하에서 이 공정은 수소 가스 방출과 함께 입방체 결정 구조와 최대 10나노미터의 직경을 가진 거의 완벽한 나노다이아몬드를 생산했습니다. TEM 영상을 통해 아다만테인 분자 사슬이 점차적으로 구형 나노다이아몬드로 변하는 과정이 밝혀졌으며, 반응 속도는 CH 결합의 파괴에 의해 제어되었습니다. 다른 탄화수소는 동일한 결과를 얻지 못하여 아다만탄의 다이아몬드 성장에 대한 독특한 적합성을 강조합니다.

이번 발견은 전자 리소그래피, 표면 과학, 현미경과 같은 분야에서 화학 반응을 조작할 수 있는 새로운 가능성을 열어줍니다. 연구자들은 또한 유사한 고에너지 조사 과정이 운석이나 우라늄이 풍부한 암석에서 다이아몬드가 자연적으로 형성되는 방식을 설명할 수 있다고 제안합니다. 이 외에도 이 방법은 양자 컴퓨팅 및 고급 센서의 핵심 구성 요소인 도핑된 양자점의 제조를 지원할 수 있습니다.

20년에 걸친 꿈의 실현

나카무라 회장은 획기적인 발전을 되돌아보며 이를 20년 비전의 실현이라고 설명했습니다. “이 다이아몬드 합성 사례는 전자가 유기 분자를 파괴하지 않고, 조사할 분자에 적절한 특성을 설치하면 유기 분자가 잘 정의된 화학 반응을 겪게 한다는 궁극적인 증거입니다.”라고 그는 말했습니다. 그의 업적은 과학자들이 전자빔을 사용하는 방식을 영구적으로 재구성하여 조사 시 발생하는 화학적 변형에 대한 보다 명확한 창을 제공할 수 있습니다.

동시에 점점 더 많은 연구자들이 염기서열분석 결과를 공개적으로 접근할 수 있도록 하고 있습니다. 이로 인해 미국 SRA(Sequence Read Archive) 및 유럽 ENA(European Nucleotide Archive)와 같은 주요 데이터베이스에 저장된 데이터가 폭발적으로 증가했습니다. 현재 이러한 아카이브는 약 100페타바이트의 정보를 보유하고 있습니다. 이는 전체 인터넷에서 발견되는 텍스트의 총량과 거의 맞먹는 수준이며, 1페타바이트는 100만 기가바이트에 해당합니다.

지금까지 생의학 과학자들은 이러한 방대한 유전자 저장소를 검색하고 이를 자신의 데이터와 비교하기 위해 막대한 컴퓨팅 리소스가 필요했기 때문에 포괄적인 검색이 거의 불가능했습니다. ETH Zurich의 연구원들은 이제 이러한 한계를 극복할 수 있는 방법을 개발했습니다.

전체 데이터 세트를 다운로드하는 대신 전체 텍스트 검색

팀은 프로세스를 획기적으로 간소화하고 가속화하는 MetaGraph라는 도구를 만들었습니다. 전체 데이터 세트를 다운로드하는 대신 MetaGraph를 사용하면 인터넷 검색 엔진을 사용하는 것과 마찬가지로 원시 DNA 또는 RNA 데이터 내에서 직접 검색이 가능합니다. 과학자들은 관심 있는 유전자 서열을 검색 필드에 입력하기만 하면 쿼리에 따라 몇 초 또는 몇 분 내에 해당 서열이 글로벌 데이터베이스에서 어디에 나타나는지 확인할 수 있습니다.

ETH Zurich 컴퓨터 과학과의 데이터 과학자인 Gunnar Rätsch 교수는 “이것은 일종의 DNA용 Google입니다.”라고 설명합니다. 이전에는 연구자들이 설명이 포함된 메타데이터만 검색할 수 있었고 원시 시퀀스에 액세스하려면 전체 데이터세트를 다운로드해야 했습니다. 이러한 접근 방식은 느리고 불완전하며 비용이 많이 들었습니다.

연구 저자에 따르면 MetaGraph는 비용 효율성도 매우 높습니다. 공개적으로 사용 가능한 모든 생물학적 서열을 표현하려면 몇 개의 컴퓨터 하드 드라이브만 필요하며, 대규모 쿼리 비용은 메가베이스당 약 0.74달러를 넘지 않습니다.

새로운 DNA 검색 엔진은 빠르고 정확하기 때문에 특히 새로운 병원체를 식별하거나 항생제 내성과 관련된 유전적 요인을 분석하는 연구를 크게 가속화할 수 있습니다. 시스템은 이러한 대규모 데이터베이스 내에 숨겨진 유해 박테리아(박테리오파지)를 파괴하는 유익한 바이러스를 찾는 데 도움이 될 수도 있습니다.

300배로 압축

10월 8일에 발표된 연구에서 자연ETH 팀은 MetaGraph의 작동 방식을 시연했습니다. 이 도구는 스프레드시트 소프트웨어가 값을 정렬하는 방식과 유사하게 정보를 보다 효율적으로 구조화하는 고급 수학적 그래프를 사용하여 유전 데이터를 구성하고 압축합니다. “수학적으로 말하면 이는 수백만 개의 열과 수조 개의 행으로 구성된 거대한 행렬입니다.”라고 Rätsch는 설명합니다.

대규모 데이터 세트를 검색 가능하게 만들기 위해 인덱스를 생성하는 것은 컴퓨터 과학에서 친숙한 개념이지만 ETH 접근 방식은 원시 데이터를 메타데이터와 연결하는 동시에 약 300배에 달하는 놀라운 압축률을 달성하는 방법에서 두드러집니다. 이러한 축소는 책을 요약하는 것과 매우 유사하게 작동합니다. 즉, 필수 설명과 관계를 유지하면서 중복을 제거하고 모든 관련 정보를 훨씬 더 작은 형식으로 유지합니다.

Rätsch와 마찬가지로 ETH Zurich의 Biomedical Informatics Group 회원인 André Kahles 박사는 “우리는 필요한 정보를 잃지 않고 데이터 세트를 최대한 컴팩트하게 유지하기 위해 가능한 것의 한계를 뛰어넘고 있습니다.”라고 말했습니다. 현재 연구 중인 다른 DNA 검색 마스크와 달리 ETH 연구원의 접근 방식은 확장 가능합니다. 즉, 쿼리되는 데이터의 양이 많을수록 도구에 필요한 추가 컴퓨팅 성능이 줄어듭니다.

현재 데이터의 절반이 이미 사용 가능합니다.

2020년 처음 선보인 MetaGraph는 꾸준히 개선되어 왔습니다. 이제 검색을 위해 이 도구에 공개적으로 액세스할 수 있습니다(https://metagraph.ethz.ch/search) 이미 바이러스, 박테리아, 곰팡이, 식물, 동물 및 인간의 수백만 개의 DNA, RNA 및 단백질 서열을 색인화하고 있습니다. 현재 사용 가능한 모든 글로벌 시퀀스 데이터 세트의 거의 절반이 포함되어 있으며 나머지도 연말까지 포함될 것으로 예상됩니다. MetaGraph는 오픈 소스이기 때문에 대량의 내부 연구 데이터를 관리하는 제약 회사의 관심을 끌 수도 있습니다.

Kahles는 언젠가 개인이 DNA 검색 엔진을 사용할 가능성도 있다고 믿습니다. “초기에는 Google조차 검색 엔진이 무엇에 좋은지 정확히 알지 못했습니다. DNA 서열 분석의 급속한 발전이 계속된다면 발코니 식물을 더 정확하게 식별하는 것이 일반화될 수 있습니다.”

초기 우주의 열 추적

어떤 장비도 물리적으로 살아남을 수 없는 환경에서 온도를 측정하는 것은 과학자들에게 오랫동안 어려운 과제였습니다. 연구팀은 뉴욕 브룩헤이븐 국립연구소의 상대론적 중이온 충돌기(RHIC)에서 원자핵의 고속 충돌 중에 방출되는 열전자-양전자 쌍을 연구하여 이를 극복했습니다. 이러한 방출은 플라즈마가 형성되고 냉각될 때 플라즈마가 얼마나 뜨거워졌는지 재구성하는 방법을 제공했습니다.

이전의 온도 추정치는 불확실했고, 도플러와 같은 변화를 생성하는 플라즈마 내부의 움직임이나 판독값이 플라즈마 자체를 반영하는지 또는 플라즈마 붕괴의 후기 단계를 반영하는지에 대한 혼란으로 인해 종종 왜곡되었습니다.

RHIC STAR 협력의 공동 대변인이자 물리학 및 천문학 교수인 Geurts는 “우리의 측정을 통해 QGP의 열 지문이 잠금 해제되었습니다.”라고 말했습니다. “딜렙톤 방출을 추적함으로써 우리는 플라즈마가 얼마나 뜨거웠는지, 언제 냉각되기 시작했는지 확인할 수 있었고, 우주 탄생 후 불과 마이크로초 만에 조건을 직접 볼 수 있게 되었습니다.”

새 열 창 열기

쿼크-글루온 플라즈마는 양성자와 중성자, 쿼크와 글루온의 기본 구성 요소가 입자 내부에 갇혀 있지 않고 자유롭게 존재하는 독특한 물질 상태입니다. 그 동작은 거의 전적으로 온도에 따라 달라집니다. 지금까지 과학자들은 결과를 왜곡하지 않고 빠르게 확장되고 있는 이 시스템을 들여다볼 수 있는 도구가 부족했습니다. QGP가 수조 켈빈의 온도에 도달함에 따라 간섭 없이 이를 관찰할 수 있는 “온도계”를 찾는 것이 과제였습니다.

Geurts는 “QGP의 수명 전반에 걸쳐 생성되는 열 렙톤 쌍, 즉 전자-양전자 방출이 이상적인 후보로 떠올랐습니다.”라고 말했습니다. “플라즈마와 상호작용할 수 있는 쿼크와는 달리, 이 렙톤은 크게 손상되지 않고 통과하여 주변 환경에 대한 왜곡되지 않은 정보를 전달합니다.”

수많은 다른 입자들 사이에서 이러한 순간적인 쌍을 탐지하려면 극도로 민감한 장비와 세심한 보정이 필요했습니다.

RHIC의 실험적 혁신

이를 달성하기 위해 팀은 RHIC의 검출기를 개선하여 낮은 운동량의 렙톤 쌍을 분리하고 배경 소음을 줄였습니다. 그들은 이들 쌍의 에너지 분포가 플라즈마 온도를 직접적으로 드러낼 수 있다는 아이디어를 테스트했습니다. 관통 온도계로 알려진 이 접근 방식은 QGP의 전체 수명에 걸쳐 방출을 통합하여 평균 열 프로필을 생성합니다.

실제 열 신호를 관련 없는 프로세스와 구별하는 데 어려움이 있었음에도 불구하고 연구원들은 매우 정확한 측정값을 얻었습니다.

뚜렷한 온도 단계 공개

결과는 방출된 유전체 쌍의 질량에 따라 두 가지 명확한 온도 범위를 보여주었습니다. 저질량 범위에서 평균 온도는 약 2조 0100억 켈빈에 도달했는데, 이는 이론적 예측 및 플라즈마가 일반 물질로 전환될 때 관찰된 온도와 일치합니다. 더 높은 질량 범위에서 평균 온도는 약 3조 2500억 켈빈으로 플라즈마의 초기 더 뜨거운 단계를 나타냅니다.

이러한 대조는 저질량 유전전자가 플라즈마 진화의 후반부에 생성되는 반면, 고질량 유전전자는 초기의 더 에너지 넘치는 단계에서 생성된다는 것을 암시합니다.

Geurts는 “이 연구는 두 가지 별개의 진화 단계와 다중 중입자 화학 포텐셜에서 평균 QGP 온도를 보고하며, 이는 QGP의 열역학적 특성을 매핑하는 데 상당한 발전을 의미합니다”라고 Geurts는 말했습니다.

극한 조건에서의 매핑 문제

진화의 여러 지점에서 QGP의 온도를 정확하게 측정함으로써 과학자들은 “QCD 상태 다이어그램”을 완성하는 데 필요한 중요한 실험 데이터를 얻습니다. 이는 빅뱅 직후 존재했고 중성자 별과 같은 우주 현상에 존재하는 조건과 유사하게 엄청난 열과 밀도 하에서 기본 물질이 어떻게 행동하는지 파악하는 데 필수적입니다.

Geurts는 “이 열 지도를 활용하여 연구자들은 이제 QGP 수명과 전송 특성에 대한 이해를 개선할 수 있어 초기 우주에 대한 이해가 향상될 수 있습니다”라고 말했습니다. “이러한 발전은 측정 그 이상을 의미하며, 물질의 가장 극단적인 미개척지를 탐험하는 새로운 시대를 예고합니다.”

이 연구에 참여한 사람들로는 전 라이스 박사후 연구원 Zaochen Ye(현재 남중국 사범대학), 라이스 졸업생 Yiding Han(현재 베일러 의과대학), 현재 라이스 대학원생 Chenliang Jin이 있습니다. 이 작업은 미국 에너지부 과학 사무국의 지원을 받았습니다.

더 빠른 컴퓨팅을 위해 빛으로 전환

연구자들은 이제 해결책으로 빛을 찾고 있습니다. 복잡한 계산을 처리하기 위해 전기 대신 빛을 사용하는 광학 컴퓨팅은 속도와 효율성을 획기적으로 향상시키는 방법을 제공합니다. 유망한 접근법 중 하나는 빛이 통과할 때 수학적 연산을 수행하는 얇은 판형 구조인 광학 회절 연산자를 포함합니다. 이러한 시스템은 낮은 에너지 사용으로 많은 신호를 한 번에 처리할 수 있습니다. 그러나 10GHz 이상의 속도에서 이러한 계산에 필요한 안정적이고 일관된 빛을 유지하는 것은 매우 어려운 것으로 입증되었습니다.

이러한 문제를 극복하기 위해 중국 칭화대학교의 Hongwei Chen 교수가 이끄는 팀은 광학 특징 추출 엔진(OFE)이라는 획기적인 장치를 개발했습니다.². 그들의 작품은 다음과 같이 출판되었습니다. 고급 포토닉스 넥서스는 여러 실제 애플리케이션에 적합한 고속 광학 특징 추출을 수행하는 새로운 방법을 보여줍니다.

어떻게 OFE² 데이터 준비 및 처리

OFE의 주요 발전² 혁신적인 데이터 준비 모듈입니다. 위상 안정성을 잃지 않고 핵심 광학 구성 요소에 빠르고 병렬적인 광학 신호를 공급하는 것은 현장에서 가장 어려운 문제 중 하나입니다. 광섬유 기반 시스템은 빛을 분할하고 지연시킬 때 원치 않는 위상 변동을 일으키는 경우가 많습니다. Tsinghua 팀은 조정 가능한 전력 분배기와 정밀한 지연 라인을 갖춘 완전히 통합된 온칩 시스템을 설계하여 이 문제를 해결했습니다. 이 설정은 직렬 데이터를 여러 동기화된 광 채널로 변환합니다. 또한 통합 위상 배열을 통해 OFE가 가능합니다.² 다양한 계산 작업에 맞게 쉽게 재구성할 수 있습니다.

일단 준비된 광학 신호는 특징 추출을 수행하는 회절 연산자를 통과합니다. 이 프로세스는 광파가 상호 작용하여 특정 출력 지점에 집중된 “밝은 점”을 생성하는 행렬-벡터 곱셈과 유사합니다. 입력광의 위상을 미세 조정함으로써 이러한 스폿을 선택한 출력 포트 쪽으로 향하게 하여 OFE를 활성화할 수 있습니다.² 시간에 따른 입력 데이터의 미묘한 변화를 포착합니다.

기록적인 광학 성능

인상적인 12.5GHz에서 작동하는 OFE² 단 250.5피코초 만에 단일 행렬-벡터 곱셈을 달성합니다. 이는 이러한 유형의 광학 계산에 대해 알려진 가장 빠른 결과입니다. Chen은 “우리는 이 연구가 실제 응용 분야에서 10GHz 속도를 초과하도록 통합 광학 회절 컴퓨팅을 발전시키기 위한 중요한 벤치마크를 제공한다고 굳게 믿습니다.”라고 말했습니다.

연구팀은 OFE를 테스트했습니다.² 여러 도메인에 걸쳐. 이미지 처리에서는 시각적 데이터에서 가장자리 특징을 성공적으로 추출하여 이미지 분류를 개선하고 CT 스캔에서 장기 식별과 같은 작업의 정확성을 높이는 “부조 및 조각” 쌍의 지도를 만들었습니다. OFE를 사용하는 시스템² 표준 AI 모델보다 더 적은 전자 매개변수가 필요하여 광학 전처리가 하이브리드 AI 네트워크를 더 빠르고 효율적으로 만들 수 있음을 입증했습니다.

팀은 OFE도 적용했습니다.² 실시간 시장 데이터를 처리하여 수익성 있는 구매 및 판매 활동을 생성하는 디지털 거래까지. OFE는 최적화된 전략으로 트레이닝을 받은 후² 들어오는 가격 신호를 거래 결정으로 직접 전환하여 일관된 수익을 달성합니다. 이러한 계산은 빛의 속도로 이루어지기 때문에 트레이더는 거의 지체 없이 기회에 따라 조치를 취할 수 있습니다.

AI의 미래를 향한 길을 밝히다

이러한 성과는 함께 컴퓨팅의 주요 변화를 나타냅니다. AI 처리의 가장 까다로운 부분을 전력 소모가 많은 전자 칩에서 빛처럼 빠른 광자 시스템으로 이동함으로써 OFE와 같은 기술² 실시간 저에너지 AI의 새로운 시대를 열 수 있습니다. Chen은 “우리 연구에서 제시된 발전은 통합 회절 연산자의 속도를 더욱 높여 이미지 인식, 의료 지원, 디지털 금융 등의 분야에서 컴퓨팅 집약적인 서비스를 지원하게 합니다. 우리는 데이터 집약적인 컴퓨팅 요구 사항이 있는 파트너와 협력할 수 있기를 기대합니다”라고 결론지었습니다.