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,物理学家无缘无故时需对粒子的行为作出假设,但新的机器学习算法却不要越来越 做。

  9月13日消息,据国外媒体报道,大型强子对撞机(LHC)时需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,会产生然后 前所未有的东西。然后,另有5个 的惊喜并越来越 哪几个规律可言,物理学家并不确切知道要寻找哪几个。然后 人担心,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:“然后 人无缘无故担心被委托人会把婴儿和洗澡水共同倒掉。”

  面对智能数据规约的挑战,然后 物理学家尝试使用“厚度神经网络”的机器学习技术来挖掘这这类件组成的数据海洋,寻找新的物理学问題。

  在初步使用案例中,厚度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,学习咋样区分猫和狗。然而,并与非 最好的办法在寻找新粒子时并不适用,肯能物理学家无法为机器提供然后 人从未见过的东西的图片。然后,物理学家转而采用所谓的“弱监督学习”(weakly supervised learning)最好的办法,即机器从已知粒子刚开始,利用细化的信息(比如总体上肯能趋于稳定的频率)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。并与非 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,然后 人时需在猫狗实验的原理基础上做有5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),那算法就应该时需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(即使数据集中有 数百万只松鼠),那多多应用程序 还可以在越来越 直接研究驯鹿的状态下,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:“这时需魔术,但感觉像魔术一样。”

  相比之下,粒子物理学中的传统搜索最好的办法通常要求研究人员对新问題是哪几个样子做出假设。然后 人会创建有5个 描述新粒子行为的模型。这类,有5个 新粒子肯能有衰变成一大群已知粒子的趋势。越来越 在定义了所要寻找的东西完后 ,然后 人还可以设计出自定义的搜索策略。这项工作通常需离米 有5个 博士研究生离米 一年的时间,而纳赫曼认为,并与非 过程时需完成得快一点 、更彻底。

  有研究者提出了CWoLa算法,即无标签分类(Classification Without Labels),时需搜索任意未知粒子的现有数据,无论该粒子是衰变成有5个 这类型未知粒子,还是有5个 这类型或不这类型已知粒子。利用常规的搜索模型,LHC合作协议协议 机构肯能时需离米 20年时间来寻找后并与非 状态的肯能性,而目前对前并与非 状态的搜索仍越来越 任何结果。参与ATLAS项目的纳赫曼表示,CWoLa算法时需一次完成所有哪几个工作。

  然后 实验粒子物理学家也认为,这将是有5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:“然后 人肯能分析了然后 可预测的区域,然后接下来然后 人要刚开始填补哪几个尚未分析的角落,这是有点要的有5个 方向。”去年,她和然后 同事就在尝试设计并与非 灵活的软件,对一系列不同质量的粒子进行除理,但然后 人中越来越 人对机器学习有足够的了解。“你会现在是尝试一下的完后 了,”帕查尔说道。

  厚度神经网络有希望在不促使目前建模工作的数据中发现微妙的相关性。然后 机器学习技术肯能成功提高了LHC进行特定任务的下行速率 ,比如识别由底夸克粒子产生的“喷注”。在这项工作中,物理学家毫无问題也会错然然后 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:“然后 人把信息遗留在桌面上,而当你在有5个 机器上花了30亿美元,你不要想把信息留在桌子上。”

  不过,机器学习真是充满了多多应用程序 将手臂混淆为哑铃的警示故事(甚至还有更糟糕的状态)。对于LHC,大家担心机器学习的“捷径”最终反映的是LHC机器并与非 的各种小问題,而哪几个问題正是实验物理学家努力你会忽视的。ATLAS项目的物理学家蒂尔·艾费特(Till Eifert)问道:“当你发现有5个 异常时,你真是它是新物理学突破呢,还是探测器趋于稳定了哪几个有意思的状态?”