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当粒子物理拥抱人工智能

2020-03-01 15:48

当粒子物理拥抱人工智能 深度学习或助大型强子对撞机一臂之力

粒子物理有望超越标准模型 欧洲大型强子对撞机发现疑似新粒子

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欧洲大型强子对撞机粒子碰撞可以生成大量数据,运算法则可以对其进行处理。图片来源:CERN

澳门新濠影汇,LHC 底夸克探测器 图片来源:CERN

下一代粒子对撞机实验将会使用全球最先进的“思考机器”,使粒子物理学家和人工智能研究人员之间建立合作关系。这样的机器只需要微不足道的人力投入,然而这样的前景却让一些物理学家感到不舒服。

数十年来,粒子物理学家都渴望超越标准模型。尽管希格斯玻色子完成了标准模型的最后一块拼图,但科学家从未停止寻找标准模型以外的线索。现在,欧洲核子中心的大型强子对撞机有了新突破,疑似有新粒子产生。2012年,正是LHC发现了“上帝粒子”希格斯玻色子。

瑞士日内瓦大型强子对撞机物理学家希望,未来10年能够通过不可想象的海量数据作出重要发现,并获取海量知识,受此动机驱动,他们正在招募AI专家助力研究进程。

研究人员在实验中发现B介子的衰变过程与标准模型描述不符,结合此前发现的其他线索,科学家或许已经捕捉到了新粒子的身影。西班牙巴塞罗那自由大学理论家Joaquim Matias说,“此前我们从未观察到标准模型出现一系列相互关联的偏差,而这一系列偏差可以用一个非常简单的方式解释:存在一种新粒子。”Matias认为证据已经显示这是个大发现,其他同行却还持谨慎观望态度。

上个月,来自粒子物理学界和人工智能领域的专家首次共聚一堂,讨论如何通过先进的人工智能技术加速LHC的科学发现。粒子物理学家“已经意识到,他们不能单打独斗”。法国巴黎大学计算机学家Cécile Germain在欧洲核子中心粒子物理实验室研讨会上说。

美国费米实验室宣布发现顶夸克后,证实了标准模型所预言的61种基本粒子中的60种。剩下的唯一未被发现的粒子就是希格斯玻色子。最终,CERN两个最大探测器ATLAS和CMS,分别独立发现了希格斯粒子。不过,这次发现新线索的是LHC一个规模较小的探测器,名叫LHCb(LHC底夸克探测器)。LHCb的任务是精确监测已知粒子,尤其是B介子的衰变过程。

计算机学家正在陆陆续续地作出回应。去年,德国帮助组织了一次程序编写竞赛,旨在在一系列模拟数据中“发现”希格斯玻色子的踪迹,该竞赛吸引了1700多个团队的申请。

B介子由夸克这种基本粒子构成。人们熟悉的质子和中子就是由夸克构成的。而高能粒子对撞还会产生一些更重的夸克:魅夸克、奇夸克、顶夸克和底夸克。这些夸克可以和反夸克一起组成介子。B介子就是由1个反底夸克和1个夸克组成。

可以说,粒子物理学和人工智能已经不再陌路。特别是,LHC的两个大型探测器实验——ATLAS(回型LHC实验装置)和CMS(紧凑型μ子螺旋型磁谱仪)——在2012年发现希格斯玻色子时,就使用了机器学习能力,即“训练”运算法则识别数据模式的一种人工智能。

虽然,B介子只会存在一万亿分之一秒,但科学家希望它的衰变过程能为窥见新物理世界打开一扇窗。多亏量子的不确定性,内部动荡能影响其衰变。如果在B介子衰变过程中有任何新粒子介入,衰变的速度和细节都会偏离标准模型的预测。

但在不远的未来,粒子物理实验需要在收集数据方面变得更加智能化,而不仅仅是对其进行处理。现在,CMS和ATLAS每秒可以进行亿万次撞击,利用快速、粗糙的标准会导致每1000次撞击中忽视掉1次撞击。而2025年的升级计划意味着,每秒相关撞击次数将会增加20倍,为此那些探测器设备就需要使用更加精确的统计方法,美国帕萨迪纳市加州理工学院CMS物理学家、帮助组织此次CERN研讨会的María Spiropulu说:“我们正在走向一个未知领域。”

这就为人类提供了一种间接发现新粒子的方法。20世纪70年代,人们还只知道上夸克、下夸克和奇夸克,物理学家就是因为发现K介子(由1个奇夸克和1个反夸克组成的介子)的衰变过程有点奇怪,进而预测了魅夸克的存在。

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