Primjenom neuronskih mreža prof. dr. sc. Krešimir Kumerički s Fizičkog odsjeka Prirodoslovno-matematičkog fakulteta u Zagrebu rasvijetlio je aktualna pitanja vezana uz tlak kvarkova u protonu. Istraživanja su izvedena u sklopu projekta Hrvatske zaklade za znanost te Centra izvrsnosti QuantiXLie, a rad je nedavno objavljen u uglednom časopisu Nature.

Riječ je o vrlo rijetkom primjeru znanstvenog rada objavljenog u časopisu ovako visokog ranga, u potpunosti izrađenog u Hrvatskoj. Na tako nešto čekalo se deset godina, još od objave rada astrofizičara Dejana Vinkovića 'Radiation-pressure mixing of large dust grains in protoplanetary disks'.

'Nazvati ovaj rezultat otkrićem možda je ipak malo neprimjereno. Riječ je više o demonstraciji mogućnosti zanimljive metode, u kojoj se vrlo moderne tehnologije neuronskih mreža i strojnog učenja primjenjuju na klasičan i težak problem strukture materije', spušta loptu na zemlju profesor Kumerički. Članak, objavljen u časopisu Nature, nastao je u okviru četverogodišnjeg istraživačkog projekta 'Tvar i međudjelovanja na ubrzivačima i u svemiru' i slobodno je dostupan.

Nepoznata fizikalna svojstva

Kvarkove, koji s gluonima čine protone, teorijski je zamislio nedavno preminuli Murray Gell-Mann, a eksperimentalno su otkriveni u Stanfordu još potkraj šezdesetih. No struktura protona, odnosno raspodjela kvarkova i gluona u njemu, ostala je slabo poznata. Tek u posljednje vrijeme razvijene su metode kojima bi se korištenjem specijalnih tipova procesa na ubrzivačima čestica mogla ostvariti kvalitetna 3D slika protona i izmjeriti neka njegova nepoznata fizikalna svojstva.

Troje fizičara američkog Jefferson Laba lani je jedan od takvih procesa, tzv. duboko virtualno komptonsko raspršenje, iskoristilo da odrede tlak u središtu protona. Izračunali su da je taj tlak desetak puta veći od onog u neutronskim zvijezdama. U svojoj analizi oni su se oslonili na specifični KM model raspodjele kvarkova, koji su ranije razvili i uspješno primjenjivali upravo profesor Kumerički i njemački kolega Dieter Müller.

S obzirom na izvjesna ograničenja KM modela, Kumerički je iznova pristupio problemu određivanja tlaka u protonu. Ovaj put poslužio se metodom neuronskih mreža, vrlo fleksibilnih matematičko-računalnih struktura kojima su se modelirale raspodjele kvarkova i gluona, a onda se metodama strojnog učenja iz izmjerenih podataka dobila znatno realnija slika protona.

Novi rezultati pokazuju da je lanjski rad američkih znanstvenika bio tek prvi, pomalo preoptimističan korak. Pouzdano mjerenje tlaka u protonu bit će moguće tek u sljedećim eksperimentima.

'Odlučio sam napasti taj problem ovim moćnijim metodama, što je dalo puno bolji uvid u taj teško dostupan i prilično nepoznat svijet unutrašnjosti protona', kaže Kumerički. 'Pokazalo se da se pomoću trenutnih eksperimentalnih mjerenja još ne može sasvim pouzdano odrediti taj tlak u protonu, ali je istovremeno etablirana metoda kojom bi se to trebalo moći razmjerno brzo. Tako je ovaj moj rad u smislu otkrića zapravo privremeni korak unatrag, ali je u smislu razvoja tog područja znanosti, nadam se, korak unaprijed.'

Sinergija klasičnih teorija fizike i modernih tehnologija

Ako ga pitate da vam se predstavi, Kumerički će samozatajno reći da je Samoborac te da je studirao i pod mentorstvom prof. Ivice Piceka 1998. doktorirao na Sveučilištu u Zagrebu.

'Sve vrijeme radim na PMF-u, osim duljih boravaka na usavršavanju na sveučilištima u Regensburgu i Oslu. Ne znam što bi se tu moglo posebno istaknuti', reći će skromno. Uglavnom je zaokupljen teorijskom fizikom elementarnih čestica. Ranije se bavio raspadima izvjesnih kratkoživućih čestica, a u novije vrijeme i modelima nove fizike koji nastoje objasniti izvanredno malu masu neutrina. No rad objavljen u časopisu Nature posljedica je zanimanja za strukturu protona.

'Premda dobro poznajemo čestice koje tvore proton, kvarkove i gluone, kao i jednadžbe koje opisuju tu strukturu, ne znamo riješiti jednadžbe. Jedan je institut čak raspisao nagradu od milijun dolara za rješenje problema', kaže Kumerički. 'U izučavanju unutarnje strukture protona prisiljeni smo koristiti alternativne metode. Metoda neuronskih mreža koja se koristi u ovom radu zgodna je sinergija klasičnih teorija fizike i modernih tehnologija znanosti o podacima, data science, koje doživljavaju procvat u ovo informatičko doba.'

Čaša nije ni poluprazna ni polupuna

Na činjenicu da je ovo prvi hrvatski rad u časopisu Nature nakon dugih deset godina Kumerički kaže da se može gledati kao na 'polupraznu ili polupunu čašu'.

'Znanost u Hrvatskoj kaska za standardima naprednih zemalja i to se odražava i u rijetkosti radova u vrhunskim časopisima. Za mene osobno to je naravno izvanredan karijerni uspjeh, ali sigurno bi za Hrvatsku bilo bolje da je ovakav članak manje ekskluzivan nego što jest. Naravno, govorim o čisto scijentometrijskoj ekskluzivnosti. Prava znanstvena vrijednost će se vidjeti kad prođe neko vrijeme.'