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,物理学家时不时要能 对粒子的行为作出假设,但新的机器学习算法却不不没有了做。

  9月13日消息,据国外媒体报道,大型强子对撞机(LHC)要能 在一秒钟之内撞击十亿对质子。有时,这台巨大的机器可能会给现实世界带来惊喜,可能在少数碰撞中,会产生或多或少前所未有的东西。但会 ,没有了 的惊喜并没有了什么规律可言,物理学家未必确切知道要寻找什么。当当你们 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,可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:“当当你们 时不时担心当时人会把婴儿和洗澡水共同倒掉。”

  面对智能数据规约的挑战,或多或少物理学家尝试使用“深层神经网络”的机器学习技术来挖掘这类事件组成的数据海洋,寻找新的物理学问题图片。

  在初步使用案例中,深层神经网络通过研究几滴 标记为“猫”的图片和标记为“狗”的图片,学习如何区分猫和狗。然而,有一种 办法在寻找新粒子时未必适用,可能物理学家无法为机器提供当当你们 从未见过的东西的图片。但会 ,物理学家转而采用所谓的“弱监督学习”(weakly supervised learning)办法,即机器从已知粒子现在现在开始英文,利用细化的信息(比如总体上可能指在的频率)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。有一种 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,当当你们 要能 在猫狗实验的原理基础上做俩个多多游戏: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),那算法就应该要能 通过邻近区域的系统比较,将它们挑出来。可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),那线程池要能在没有了直接研究驯鹿的情况下,学精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:“这有的是魔术,但感觉像魔术一样。”

  相比之下,粒子物理学中的传统搜索办法通常要求研究人员对新问题图片是什么样子做出假设。当当你们 会创建俩个多多描述新粒子行为的模型。类事,俩个多多新粒子可能有衰变成一大群已知粒子的趋势。非要在定义了所要寻找的东西就说 ,当当你们 要能设计出自定义的搜索策略。这项工作通常需大慨俩个多多博士研究生大慨一年的时间,而纳赫曼认为,有一种 过程要能 完成得变慢、更彻底。

  有研究者提出了CWoLa算法,即无标签分类(Classification Without Labels),要能 搜索任意未知粒子的现有数据,无论该粒子是衰变成俩个多多类事型未知粒子,还是俩个多多类事型或不类事型已知粒子。利用常规的搜索模型,LHC协作者机构可能要能 大慨20年时间来寻找后有有一种情况的可能,而目前对前有有一种情况的搜索仍没有了任何结果。参与ATLAS项目的纳赫曼表示,CWoLa算法要能 一次完成所有什么工作。

  或多或少实验粒子物理学家也认为,这将是俩个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:“当当你们 可能分析了或多或少可预测的区域,但会 接下来当当你们 要现在现在开始英文填补什么尚未分析的角落,这是有点硬要的俩个多多方向。”去年,她和或多或少同事就在尝试设计有有一种灵活的软件,对一系列不同质量的粒子进行出理 ,但当当你们 中没有了人对机器学习有足够的了解。“让我 现在是尝试一下的就说 了,”帕查尔说道。

  深层神经网络有希望在不助于目前建模工作的数据中发现微妙的相关性。或多或少机器学习技术可能成功提高了LHC进行特定任务的下行带宽 ,比如识别由底夸克粒子产生的“喷注”。在这项工作中,物理学家毫无问题图片也会错过或多或少信号。加州大学欧文分校的粒子物理学家丹尼尔·怀特森(Daniel Whiteson)说:“当当你们 把信息遗留在桌面上,而当你在俩个多多机器上花了1150亿美元,你不不不把信息留在桌子上。”

  不过,机器学习随便说说充满了线程池将手臂混淆为哑铃的警示故事(甚至还有更糟糕的情况)。对于LHC,一群人担心机器学习的“捷径”最终反映的是LHC机器有有一种的各种小问题图片,而什么问题图片正是实验物理学家努力就说 忽视的。ATLAS项目的物理学家蒂尔·艾费特(Till Eifert)问道:“当你发现俩个多多异常时,你随便说说它是新物理学突破呢,还是探测器指在了什么有意思的情况?”