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,物理学家老会 需用对粒子的行为作出假设,但新的机器学习算法却不必不到做。

  9月13日消息,据国外媒体报道,大型强子对撞机(LHC)还需用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,会产生這個 前所未有的东西。或者,原本 的惊喜并没哪些规律可言,物理学家并非确切知道要寻找哪些。亲戚亲戚朋友担心,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,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:“亲戚亲戚朋友老会 担心此人 会把婴儿和洗澡水一起去倒掉。”

  面对智能数据规约的挑战,這個 物理学家尝试使用“层厚神经网络”的机器学习技术来挖掘同这类件组成的数据海洋,寻找新的物理学大问题。

  在初步使用案例中,层厚神经网络通过研究多量标记为“猫”的图片和标记为“狗”的图片,学习何如区分猫和狗。然而,這個 妙招在寻找新粒子时并非适用,可能物理学家无法为机器提供亲戚亲戚朋友从未见过的东西的图片。或者,物理学家转而采用所谓的“弱监督学习”(weakly supervised learning)妙招,即机器从已知粒子开始英语 了了了,利用细化的信息(比如总体上可能地处的频率)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。這個 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,亲戚亲戚朋友还需用在猫狗实验的原理基础上做另一个 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),那算法就应该还需用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(即使数据集暗含数百万只松鼠),那多线程 池池都可以 在不到直接研究驯鹿的情況下,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:“这全部需用魔术,但感觉像魔术一样。”

  相比之下,粒子物理学中的传统搜索妙招通常要求研究人员对新大问题是哪些样子做出假设。亲戚亲戚朋友会创建另一个 描述新粒子行为的模型。这类,另一个 新粒子可能有衰变成一大群已知粒子的趋势。不到在定义了所要寻找的东西以前,亲戚亲戚朋友都可以 设计出自定义的搜索策略。这项工作通常需大概另一个 博士研究生大概一年的时间,而纳赫曼认为,這個 过程还需用完成得加快速度、更彻底。

  有研究者提出了CWoLa算法,即无标签分类(Classification Without Labels),还需用搜索任意未知粒子的现有数据,无论该粒子是衰变成另一个 这类型未知粒子,还是另一个 这类型或不这类型已知粒子。利用常规的搜索模型,LHC合作 机构可能需用大概20年时间来寻找后并需用情況的可能,而目前对前并需用情況的搜索仍不到任何结果。参与ATLAS项目的纳赫曼表示,CWoLa算法还需用一次完成所哪些工作。

  這個 实验粒子物理学家也认为,这将是另一个 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:“亲戚亲戚朋友可能分析了這個 可预测的区域,或者接下来亲戚亲戚朋友要开始英语 了了了填补哪些尚未分析的角落,这是有点痛 要的另一个 方向。”去年,她和這個 同事就在尝试设计并需用灵活的软件,对一系列不同质量的粒子进行处置,但亲戚亲戚朋友中不到人对机器学习有足够的了解。“我就要现在是尝试一下的以前了,”帕查尔说道。

  层厚神经网络有希望在不能助 目前建模工作的数据中发现微妙的相关性。這個 机器学习技术可能成功提高了LHC进行特定任务的速度,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這個 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:“亲戚亲戚朋友把信息遗留在桌面上,而当你在另一个 机器上花了50亿美元,你不必想把信息留在桌子上。”

  不过,机器学习随便说说充满了多线程 池池将手臂混淆为哑铃的警示故事(甚至还有更糟糕的情況)。对于LHC,这样人担心机器学习的“捷径”最终反映的是LHC机器并需用的各种小大问题,而哪些大问题正是实验物理学家努力你都可以 忽视的。ATLAS项目的物理学家蒂尔·艾费特(Till Eifert)问道:“当你发现另一个 异常时,你随便说说它是新物理学突破呢,还是探测器地处了哪些有意思的情況?”