Физика будущего: как ИИ ускоряет поиск ответов на фундаментальные вопросы

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Мир элементарных частиц — это мир хаоса и непредсказуемости. В мощных ускорителях, таких как Большой адронный коллайдер, частицы сталкиваются с огромной силой, порождая каскады вторичных частиц. Эти каскады — словно отпечатки пальцев, по которым физики пытаются восстановить картину произошедшего и узнать больше о фундаментальных законах природы.

Автор: Designer

Но как разобраться в этом хаосе? Как отделить «зерна от плевел» и выделить по-настоящему интересные события, которые могут привести к новым открытиям?

До недавнего времени эту задачу решали с помощью классических алгоритмов, которые за доли секунды реконструировали треки частиц и оценивали, стоит ли сохранять данные о столкновении для дальнейшего анализа.

Однако физика высоких энергий не стоит на месте. Эксперименты становятся всё сложнее, энергии столкновений — выше, а количество данных, получаемых с детекторов, — всё больше. Классические алгоритмы уже не справляются с таким потоком информации.

Пример события в эксперименте по физике высоких энергий, показывающий следы нескольких частиц, проходящих через детектор.
Пример события в эксперименте по физике высоких энергий, показывающий следы нескольких частиц, проходящих через детектор.
Автор: Zdybał, M., Kucharczyk, M., & Wolter, M. (2024). Machine Learning based Event Reconstruction for the MUonE Experiment. Computer Science, 25(1). https://doi.org/10.7494/csci.2024.25.1.5690(CC BY 4.0) Источник: journals.agh.edu.pl

И тут на помощь приходит искусственный интеллект.

Ученые из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) разработали глубокую нейронную сеть, способную реконструировать треки частиц с точностью, сравнимой с классическими алгоритмами.

«Наша нейронная сеть — это сложная система, состоящая из множества interconnected «нейронов», которые имитируют работу человеческого мозга», — объясняет профессор Марчин Кухарчик. — «Мы обучили сеть на основе данных, полученных в результате компьютерного моделирования столкновений частиц. В процессе обучения сеть научилась распознавать паттерны и выделять из них те, которые соответствуют трекам частиц».

Архитектура нейронной сети, используемой для реконструкции трека. Входной слой имеет 20 узлов, следующие четыре скрытых слоя имеют по 1000 узлов каждый, а выходной слой состоит из 8 узлов. Количество узлов в скрытых слоях на графике уменьшено с 1000 до 25 для наглядности.
Архитектура нейронной сети, используемой для реконструкции трека. Входной слой имеет 20 узлов, следующие четыре скрытых слоя имеют по 1000 узлов каждый, а выходной слой состоит из 8 узлов. Количество узлов в скрытых слоях на графике уменьшено с 1000 до 25 для наглядности.
Автор: Zdybał, M., Kucharczyk, M., & Wolter, M. (2024). Machine Learning based Event Reconstruction for the MUonE Experiment. Computer Science, 25(1). https://doi.org/10.7494/csci.2024.25.1.5690 (CC BY 4.0) Источник: journals.agh.edu.pl

Обучение нейронной сети — процесс длительный и ресурсоемкий. Но как только сеть обучена, она может работать практически мгновенно, что крайне важно для обработки огромного потока данных с ускорителей.

«Мы с оптимизмом смотрим на возможность использования нейронных сетей в реальных экспериментах», — говорит профессор Кухарчик. — «Это может открыть новую эру в методах детектирования частиц и привести к новым открытиям в физике высоких энергий».

Одним из первых экспериментов, где нейронная сеть IFJ PAN может быть использована, станет MUonE, который изучает рассеяние мюонов на электронах. Цель эксперимента — получить более точные данные о так называемой адронной поправке, которая влияет на предсказания Стандартной модели.

Более точное значение адронной поправки позволит физикам с большей уверенностью говорить о расхождениях между теорией и экспериментом, что может указывать на существование новой, пока неизвестной физики.

Эксперимент MUonE — это лишь один из примеров того, как искусственный интеллект меняет физику высоких энергий. С помощью машинного обучения физики могут анализировать данные быстрее и эффективнее, находить скрытые закономерности и делать новые открытия.

Возможно, именно искусственный интеллект поможет нам ответить на фундаментальные вопросы о Вселенной: из чего она состоит, как устроена и каковы ее законы.

2 комментария

a
Поиск редких событий использовался еще в 80-е. Именно так нашли W-бозоны. Польские ученые — это что-то из разряда британских.
2
Обычно уже на 4 псевдослое теряется сходимость (минимум функционала в итерации не находится). В основном в публикациях используют три псевдослоя

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Почему легендарные советские колонки S-90 одни считают шедевром, а другие ненавидят

Ни одна акустическая система на постсоветском пространстве не вызывает таких яростных баталий, как «Радиотехника S-90» (она же 35АС-012 и её бесчисленные модификации). Для одних это священный...

Почему советские «Москвичи» обошли иномарки на ралли «Лондон — Сидней», а серийные машины гнили в гаражах

В декабре 1968 года финиш марафона «Лондон — Сидней» стал сенсацией для европейской прессы. Маршрут длиной 16 000 километров проходил через одиннадцать стран: асфальт Европы, горные...

Воздушный змей над Атлантикой: как Маркони принял радиосигнал из Европы

В декабре 1901 года на вершине Сигнал-Хилл над Сент-Джонсом дул такой ветер, что обычную антенну там было почти невозможно установить. Гульельмо Маркони приехал на Ньюфаундленд не с готовой...

Существует ли время на самом деле: почему Вселенная неподвижна и при чем здесь черные дыры

В повседневной жизни время кажется самым очевидным и неоспоримым свойством реальности. События всегда выстраиваются в строгую очередь: прошлое уже произошло и зафиксировано, будущее еще не...

Почему в северных избах не было ни занавесок, ни скатертей, ни половичков

Северный деревянный дом всегда выглядел иначе, чем привычные избы средней полосы. Большие срубы Архангельской губернии, Каргополья и других мест Русского Севера поражали размерами и простотой...

Здесь можно увидеть тысячи фламинго: как национальный парк Ансенуза стал одним из центров экотуризма Аргентины

В Аргентине на северо-востоке провинции Кордова расположен национальный парк Ансенуза, являющийся крупным природным заповедником. За короткое время он стал одним из самых привлекательных мест для...