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,物理学家无缘无故才能 对粒子的行为作出假设,但新的机器学习算法却不需要那么 做。

  9月13日消息,据国外媒体报道,大型强子对撞机(LHC)都才能 在一秒钟之内撞击十亿对质子。有时,这台巨大的机器由于会给现实世界带来惊喜,由于在少数碰撞中,会产生或多或少前所未有的东西。可是,曾经的惊喜并那么 那此规律可言,物理学家不需要确切知道要寻找那此。亲们担心,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,由于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:“亲们无缘无故担心我本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“淬硬层 神经网络”的机器学习技术来挖掘之类似件组成的数据海洋,寻找新的物理学问题报告 。

  在初步使用案例中,淬硬层 神经网络通过研究少许标记为“猫”的图片和标记为“狗”的图片,学习咋样区分猫和狗。然而,你这个措施在寻找新粒子时不需要适用,由于物理学家无法为机器提供亲们从未见过的东西的图片。可是,物理学家转而采用所谓的“弱监督学习”(weakly supervised learning)措施,即机器从已知粒子刚开始,利用细化的信息(比如总体上由于位于的频率)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。你这个经典的“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,亲们都才能 在猫狗实验的原理基础上做有一一一一俩个游戏: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),那算法就应该都才能 通过邻近区域的系统比较,将它们挑出来。由于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(即使数据集带有数百万只松鼠),那守护进程才能在那么 直接研究驯鹿的清况 下,医学会 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:“这与非 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措施通常要求研究人员对新问题报告 是那此样子做出假设。亲们会创建有一一一一俩个描述新粒子行为的模型。类似,有一一一一俩个新粒子由于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很久,亲们才能设计出自定义的搜索策略。这项工作通常需相当于有一一一一俩个博士研究生相当于一年的时间,而纳赫曼认为,你这个过程都才能 完成得更慢、更彻底。

  有研究者提出了CWoLa算法,即无标签分类(Classification Without Labels),都才能 搜索任意未知粒子的现有数据,无论该粒子是衰变成有一一一一俩个类似型未知粒子,还是有一一一一俩个类似型或不类似型已知粒子。利用常规的搜索模型,LHC合作协议机构由于才能 相当于20年时间来寻找后两种清况 的由于性,而目前对前两种清况 的搜索仍那么 任何结果。参与ATLAS项目的纳赫曼表示,CWoLa算法都才能 一次完成所有那此工作。

  或多或少实验粒子物理学家也认为,这将是有一一一一俩个很有价值的项目。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:“亲们由于分析了或多或少可预测的区域,可是接下来亲们要刚开始填补那此尚未分析的角落,这是很重要的有一一一一俩个方向。”去年,她和或多或少同事就在尝试设计两种灵活的软件,对一系列不同质量的粒子进行出理 ,但亲们中那么 人对机器学习有足够的了解。“我要现在是尝试一下的很久了,”帕查尔说道。

  淬硬层 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由于成功提高了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,物理学家毫无问题报告 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:“亲们把信息遗留在桌面上,而当你在有一一一一俩个机器上花了80亿美元,你不需要想把信息留在桌子上。”

  不过,机器学习其实充满了守护进程将手臂混淆为哑铃的警示故事(甚至还有更糟糕的清况 )。对于LHC,村里人 担心机器学习的“捷径”最终反映的是LHC机器两种的各种小问题报告 ,而那此问题报告 正是实验物理学家努力愿意忽视的。ATLAS项目的物理学家蒂尔·艾费特(Till Eifert)问道:“当你发现有一一一一俩个异常时,你其实它是新物理学突破呢,还是探测器位于了那此有意思的清况 ?”