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,物理学家总是前要对粒子的行为作出假设,但新的机器学习算法却还会只能做。

  9月13日消息,据国外媒体报道,大型强子对撞机(LHC)可不可以在一秒钟之内撞击十亿对质子。有时,这台巨大的机器将会会给现实世界带来惊喜,将会在少数碰撞中,会产生或多或少前所未有的东西。或多或少,只能 的惊喜并只能那先 规律可言,物理学家无须确切知道要寻找那先 。有人担心,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,将会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:“有人总是担心本人会把婴儿和洗澡水一同倒掉。”

  面对智能数据规约的挑战,或多或少物理学家尝试使用“高度神经网络”的机器学习技术来挖掘之之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,高度神经网络通过研究几瓶标记为“猫”的图片和标记为“狗”的图片,学习要怎样区分猫和狗。然而,这人妙招在寻找新粒子时无须适用,将会物理学家无法为机器提供有人从未见过的东西的图片。或多或少,物理学家转而采用所谓的“弱监督学习”(weakly supervised learning)妙招,即机器从已知粒子本来开始了了,利用细化的信息(比如总体上将会处于的频率)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。这人经典的“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,有人可不可以在猫狗实验的原理基础上做有另另4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),那算法就应该可不可以通过邻近区域的系统比较,将它们挑出来。将会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(即使数据集含有数百万只松鼠),那程序池池并能在只能直接研究驯鹿的情况下,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:“这有的是魔术,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问題是那先 样子做出假设。有人会创建有另另4个描述新粒子行为的模型。之类,有另另4个新粒子将会有衰变成一大群已知粒子的趋势。只能在定义了所要寻找的东西只能 ,有人并能设计出自定义的搜索策略。这项工作通常需最少有另另4个博士研究生最少一年的时间,而纳赫曼认为,这人过程可不可以完成得减慢、更彻底。

  有研究者提出了CWoLa算法,即无标签分类(Classification Without Labels),可不可以搜索任意未知粒子的现有数据,无论该粒子是衰变成有另另4个之类型未知粒子,还是有另另4个之类型或不之类型已知粒子。利用常规的搜索模型,LHC商务战略合作机构将会前要最少20年时间来寻找后并是否是生活情况的将会性,而目前对前并是否是生活情况的搜索仍只能任何结果。参与ATLAS项目的纳赫曼表示,CWoLa算法可不可以一次完成所有那先 工作。

  或多或少实验粒子物理学家也认为,这将是有另另4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:“有人将会分析了或多或少可预测的区域,或多或少接下来有人要本来开始了了填补那先 尚未分析的角落,这是有点儿要的有另另4个方向。”去年,她和或多或少同事就在尝试设计并是否是生活灵活的软件,对一系列不同质量的粒子进行防止,但有人中只能人对机器学习有足够的了解。“我就要要现在是尝试一下的只能 了,”帕查尔说道。

  高度神经网络有希望在不促进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将会成功提高了LHC进行特定任务的数率,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:“有人把信息遗留在桌面上,而当你在有另另4个机器上花了3000亿美元,你还会想把信息留在桌子上。”

  不过,机器学习嘴笨 充满了程序池池将手臂混淆为哑铃的警示故事(甚至还有更糟糕的情况)。对于LHC,有人担心机器学习的“捷径”最终反映的是LHC机器并是否是生活的各种小问題,而那先 问題正是实验物理学家努力要我忽视的。ATLAS项目的物理学家蒂尔·艾费特(Till Eifert)问道:“当你发现有另另4个异常时,你嘴笨 它是新物理学突破呢,还是探测器处于了那先 有意思的情况?”