Tecnologia Científica

Fa­sicos de plasma apresentam um manifesto para o futuro orientado a dados do campo
Pesquisas sobre a física extrema do Espaço, fusão nuclear e fena´menos fundamentais podem ser transformadas por big data e IA, dizem os cientistas.
Por Hayley Dunning - 23/05/2021


Cortesia

Tirar proveito da vasta quantidade de dados gerados por novos experimentos de física de plasma mais poderosos e mais rápidos pode revolucionar o campo, dizem o grupo de fa­sicos hoje na Nature .

"[Aprendizado de ma¡quina] oferece a oportunidade de reduzir o tempo e o esfora§o necessa¡rios para adquirir dados, além de acelerar o processo de análise e fornecer novos caminhos para investigação".

Dr. Brendan Kettle

Os cientistas, de todo o Reino Unido, EUA e Europa, incluindo Imperial College London, estabeleceram o estado atual do campo e o que precisa ser feito para adotar abordagens baseadas em dados e aprendizado de ma¡quina e acelerar pesquisas e aplicações de plasma.

Essas aplicações incluem a produção de fusão nuclear - uma fonte de energia limpa e potencialmente muito poderosa, que se mostrou difa­cil de controlar. Com a inteligaªncia artificial no comando, existe a possibilidade de analisar e refinar os experimentos de fusão em taxas muito mais rápidas do que os pesquisadores humanos podem atingir.

O coautor, Professor Steven Rose , do Departamento de Fa­sica do Imperial, observou que a Perspectiva da Natureza comea§a: “Definir os controles para o coração do Sol 'encorajou um artigo de 2004, (riff de uma canção do Pink Floyd de 1968), descrevendo o futuro brilhante do uso de experimentos baseados na Terra para criar condições semelhantes a s do Sol em laboratório.

“Dezessete anos depois, avanços substanciais foram feitos neste programa de pesquisa. Uma questãoque estãosurgindo, entretanto, équem deveria estar no controle - humanos ou inteligaªncias artificiais?”

AI assume o controle

O plasma éo quarto estado da matéria, compreendendo matéria superaquecida que se torna ionizada. O plasma em temperaturas e densidades extremas éencontrado no Espaço, incluindo no coração das estrelas, incluindo estrelas de naªutrons e ana£s brancas, e em torno de buracos negros, além de ser importante no Universo inicial. Tambanãm pode ser usado para criar formas exa³ticas de matéria, como novas formas de gelo e hidrogaªnio meta¡lico.

Tentamos recriar essas condições em laboratórios na Terra usando lasers poderosos para manipular a matéria, em um campo conhecido como Fa­sica de Densidade de Alta Energia (HEDP). No entanto, pode ser difa­cil de controlar, já que o plasma nessas condições age de maneiras muito imprevisa­veis. Eles geralmente são 'não lineares', o que significa que mesmo pequenasmudanças em um para¢metro, como a temperatura, podem causar grandes diferenças nas propriedades do plasma.

a‰ aqui que entram o aprendizado de ma¡quina e a inteligaªncia artificial (IA). Os pesquisadores muitas vezes desejam criar um estado especa­fico no plasma - como imitar o Sol ou produzir uma reação de fusão constante para coletar energia - mas hámuitos parametros possa­veis para controle, e os dados sobre como o plasma estãoreagindo a smudanças estãoem muitas formas diferentes.

Isso torna difa­cil para os humanos compreenderem tudo de uma vez e fazer os ajustes necessa¡rios, mas a IA pode. Uma equipe do Imperial e do Centro de Laser do Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia já demonstrou que uma IA pode assumir o controle de um poderoso acelerador de plasma e otimiza¡-lo muito mais rapidamente do que um operador humano.

Mais experimentos e mais resultados de pesquisa

Coautor da perspectiva da Natureza , Dr. Brendan Kettle , do Departamento de Fa­sica do Imperial, disse: “O aprendizado de ma¡quina estãose tornando uma ferramenta poderosa e versa¡til em física experimental. Ele oferece a oportunidade de reduzir o tempo e o esfora§o necessa¡rios para adquirir dados, bem como agilizar o processo de análise e fornecer novos caminhos para investigação. No longo prazo, isso significa mais experimentos e mais resultados de pesquisa. ”

"A inteligaªncia artificial e o aprendizado de ma¡quina estãoapenas comea§ando a ser aplicados a  Fa­sica de Alta Densidade de Energia e nosso artigo mostra como vemos essa nova era se desenvolvendo nos pra³ximos anos".

Professor Steven Rose

O professor Rose acrescentou: “Inteligaªncia artificial e aprendizado de ma¡quina estãoapenas comea§ando a ser aplicados a  Fa­sica de Alta Densidade de Energia e nosso artigo mostra como vemos essa nova era se desenvolvendo nos pra³ximos anos”.

Os autores afirmam que aproveitar as vantagens da IA ​​e do aprendizado de ma¡quina nos pra³ximos anos écrucial, a  medida que novos experimentos on-line usam lasers mais potentes do que antes ou são menos energanãticos, mas capazes de "disparar" com muito mais frequência, produzindo enormes volumes de dados . Por exemplo, o novo Linac Coherent Light Source da Universidade de Stanford, EUA, pode coletar cerca de 70 GB de dados por minuto.

Espera-se que a IA e o aprendizado de ma¡quina sejam capazes de descobrir padraµes e interações complexos nesses dados que não apenas ajudem a melhorar os experimentos, mas também ajudem os pesquisadores a atualizar seus modelos teóricos do que estãoacontecendo dentro desses plasmas.

Esses insights também ajudara£o a informar a direção futura do campo, e quais tipos de instalações precisam ser construa­das a seguir, para acessar novas áreas interessantes da física de alta densidade de energia.

Os pesquisadores recomendam maneiras de garantir que a promessa da física de alta densidade de energia baseada em dados seja cumprida, incluindo treinamento em ciência de dados para a próxima geração de pesquisadores, ciência aberta em ca³digo e compartilhamento de dados e construção de diagnósticos e análise de dados em experimentos usando as instalações mais recentes .

 

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