人工智能如何帮助科学家寻找新粒子?

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  在搜寻新基本粒子的过程中,物理学家突然 需用对粒子的行为作出假设,但新的机器学习算法却不必没人做。

  9月13日消息,据国外媒体报道,大型强子对撞机(LHC)都需用在一秒钟之内撞击十亿对质子。有时,这台巨大的机器肯能会给现实世界带来惊喜,肯能在少数碰撞中,会产生这俩前所未有的东西。后来,三个白多多 多多的惊喜并没人有哪些规律可言,物理学家不必说确切知道要寻找有哪些。亲戚朋友 担心,在将数十亿次碰撞所获得的数据梳理成更易管理的数字时,肯能会无意中删掉物理学新理论的证据。在欧洲核子研究中心(CERN)参与超环面仪器(ATLAS)实验的纽约大学粒子物理学家凯尔·克兰默(Kyle Cranmer)说:“亲戚朋友 突然 担心当时人会把婴儿和洗澡水一同倒掉。”

  面对智能数据规约的挑战,这俩物理学家尝试使用“高度神经网络”的机器学习技术来挖掘之类式件组成的数据海洋,寻找新的物理学大问题。

  在初步使用案例中,高度神经网络通过研究小量标记为“猫”的图片和标记为“狗”的图片,学习怎样区分猫和狗。然而,这俩方法在寻找新粒子时不必说适用,肯能物理学家无法为机器提供亲戚朋友 从未见过的东西的图片。后来,物理学家转而采用所谓的“弱监督学习”(weakly supervised learning)方法,即机器从已知粒子现在后来刚结束,利用细化的信息(比如总体上肯能占据 的频率)来寻找罕见事件。

  在今年5月份发表于科学预印本网站arxiv.org上的一篇论文中,三位研究人员提出应用相关策略对“撞击狩猎”(bump hunting)进行扩展。这俩经典的“粒子狩猎”技术曾用于希格斯玻色子的发现。美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究者本·纳赫曼(Ben Nachman)表示,具体的思路是训练机器在数据集中寻找罕见的变化。

  试想一下,亲戚朋友 都需用在猫狗实验的原理基础上做三个白多多 多游戏:在充满北美森林观察记录的数据集中寻找新的动物物种。假设任何新的动物物种都倾向于聚集在某个特定的地理区域(与新粒子围绕某个特定质量的概念相对应),那算法就应该都需用通过邻近区域的系统比较,将它们挑出来。肯能加拿大不列颠哥伦比亚省刚好有113只驯鹿,美国华盛顿州有19只驯鹿(即使数据集所含数百万只松鼠),那系统多多线程 都都能能在没人直接研究驯鹿的情况表下,法学会将驯鹿与松鼠区分开来。弱监督学习研究者、俄勒冈大学的理论粒子物理学家说:“这全部全部都是魔术,但感觉像魔术一样。”

  相比之下,粒子物理学中的传统搜索方法通常要求研究人员对新大问题是有哪些样子做出假设。亲戚朋友 会创建三个白多多 多描述新粒子行为的模型。类式,三个白多多 多新粒子肯能有衰变成一大群已知粒子的趋势。只能在定义了所要寻找的东西事先,亲戚朋友 都都能能设计出自定义的搜索策略。这项工作通常需合适三个白多多 多博士研究生合适一年的时间,而纳赫曼认为,这俩过程都需用完成得更快、更彻底。

  有研究者提出了CWoLa算法,即无标签分类(Classification Without Labels),都需用搜索任意未知粒子的现有数据,无论该粒子是衰变成三个白多多 多类式型未知粒子,还是三个白多多 多类式型或不类式型已知粒子。利用常规的搜索模型,LHC相互相互合作机构肯能需用合适20年时间来寻找后一种 情况表的肯能性,而目前对前一种 情况表的搜索仍没人任何结果。参与ATLAS项目的纳赫曼表示,CWoLa算法都需用一次完成所有有有哪些工作。

  这俩实验粒子物理学家也认为,这将是三个白多多 多很有价值的项目。在ATLAS项目中搜寻新粒子碰撞的物理学家凯特·帕查尔(Kate Pachal)说:“亲戚朋友 肯能分析了这俩可预测的区域,后来接下来亲戚朋友 要现在后来刚结束填补有有哪些尚未分析的角落,这是怪怪的要的三个白多多 多方向。”去年,她和这俩同事就在尝试设计一种 灵活的软件,对一系列不同质量的粒子进行防止,但亲戚朋友 中没人人对机器学习有足够的了解。“我要现在是尝试一下的事先了,”帕查尔说道。

  高度神经网络有希望在不有利于目前建模工作的数据中发现微妙的相关性。这俩机器学习技术肯能成功提高了LHC进行特定任务的波特率,比如识别由底夸克粒子产生的“喷注”。在这项工作中,物理学家毫无大问题也会错过这俩信号。加州大学欧文分校的粒子物理学家丹尼尔·怀特森(Daniel Whiteson)说:“亲戚朋友 把信息遗留在桌面上,而当你在三个白多多 多机器上花了1150亿美元,你不必想把信息留在桌子上。”

  不过,机器学习嘴笨 充满了系统多多线程 将手臂混淆为哑铃的警示故事(甚至还有更糟糕的情况表)。对于LHC,村里人 担心机器学习的“捷径”最终反映的是LHC机器一种 的各种小大问题,而有有哪些大问题正是实验物理学家努力后来忽视的。ATLAS项目的物理学家蒂尔·艾费特(Till Eifert)问道:“当你发现三个白多多 多异常时,你嘴笨 它是新物理学突破呢,还是探测器占据 了有哪些有意思的情况表?”