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,物理学家一个劲需用对粒子的行为作出假设,但新的机器学习算法却之后这么做。

  9月13日消息,据国外媒体报道,大型强子对撞机(LHC)能必须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,会产生一些前所未有的东西。之后我,那我 的惊喜并这么有哪些规律可言,物理学家并非确切知道要寻找有哪些。亲们担心,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:“亲们儿一个劲担心当事人会把婴儿和洗澡水一起去倒掉。”

  面对智能数据规约的挑战,一些物理学家尝试使用“高度神经网络”的机器学习技术来挖掘同什儿 件组成的数据海洋,寻找新的物理学问提。

  在初步使用案例中,高度神经网络通过研究几瓶标记为“猫”的图片和标记为“狗”的图片,学习怎样才能区分猫和狗。然而,什儿 法律最好的办法在寻找新粒子时并非适用,肯能物理学家无法为机器提供亲们从未见过的东西的图片。之后我,物理学家转而采用所谓的“弱监督学习”(weakly supervised learning)法律最好的办法,即机器从已知粒子现在现在结速,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。什儿 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,亲们儿能必须在猫狗实验的原理基础上做另四个 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),那算法就应该能必须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(即使数据集含有数百万只松鼠),那任务管理器不可不上能在这么直接研究驯鹿的情况报告下,医学会 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法律最好的办法通常要求研究人员对新问提是有哪些样子做出假设。亲们会创建另四个 描述新粒子行为的模型。什儿 ,另四个 新粒子肯能有衰变成一大群已知粒子的趋势。必须在定义了所要寻找的东西之后,亲们不可不上能设计出自定义的搜索策略。这项工作通常需大概另四个 博士研究生大概一年的时间,而纳赫曼认为,什儿 过程能必须完成得调慢、更彻底。

  有研究者提出了CWoLa算法,即无标签分类(Classification Without Labels),能必须搜索任意未知粒子的现有数据,无论该粒子是衰变成另四个 什儿 型未知粒子,还是另四个 什儿 型或不什儿 型已知粒子。利用常规的搜索模型,LHC合作者者机构肯能需用大概20年时间来寻找后并是不是情况报告的肯能性,而目前对前并是不是情况报告的搜索仍这么任何结果。参与ATLAS项目的纳赫曼表示,CWoLa算法能必须一次完成所有有有哪些工作。

  一些实验粒子物理学家也认为,这将是另四个 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:“亲们儿肯能分析了一些可预测的区域,之后我接下来亲们儿要现在现在结速填补有有哪些尚未分析的角落,这是不怎样才能要的另四个 方向。”去年,她和一些同事就在尝试设计并是不是灵活的软件,对一系列不同质量的粒子进行避免,但亲们中这么人对机器学习有足够的了解。“我能现在是尝试一下的之后了,”帕查尔说道。

  高度神经网络有希望在不不利于目前建模工作的数据中发现微妙的相关性。一些机器学习技术肯能成功提高了LHC进行特定任务的时延,比如识别由底夸克粒子产生的“喷注”。在这项工作中,物理学家毫无问提也会错过一些信号。加州大学欧文分校的粒子物理学家丹尼尔·怀特森(Daniel Whiteson)说:“亲们把信息遗留在桌面上,而当你在另四个 机器上花了50亿美元,你之后想把信息留在桌子上。”

  不过,机器学习我觉得充满了任务管理器将手臂混淆为哑铃的警示故事(甚至还有更糟糕的情况报告)。对于LHC,人们担心机器学习的“捷径”最终反映的是LHC机器并是不是的各种小问提,而有有哪些问提正是实验物理学家努力之后忽视的。ATLAS项目的物理学家蒂尔·艾费特(Till Eifert)问道:“当你发现另四个 异常时,你我觉得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报告?”