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,物理学家老要时需对粒子的行为作出假设,但新的机器学习算法却时会没办法 做。

  9月13日消息,据国外媒体报道,大型强子对撞机(LHC)要能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,会产生许多前所未有的东西。却说 ,曾经的惊喜并没办法 那些规律可言,物理学家暂且确切知道要寻找那些。一群人 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:“一群人 老要担心此人 会把婴儿和洗澡水一并倒掉。”

  面对智能数据规约的挑战,许多物理学家尝试使用“深层神经网络”的机器学习技术来挖掘类事于事件组成的数据海洋,寻找新的物理学难题图片。

  在初步使用案例中,深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,学习何如区分猫和狗。然而,这种 妙招在寻找新粒子时暂且适用,将会物理学家无法为机器提供一群人 从未见过的东西的图片。却说 ,物理学家转而采用所谓的“弱监督学习”(weakly supervised learning)妙招,即机器从已知粒子现在开始英语 英语 ,利用细化的信息(比如总体上将会存在的频率)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。这种 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,一群人 要能在猫狗实验的原理基础上做四个多多游戏: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),那算法就应该要能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(即使数据集含高数百万只松鼠),那应用守护进程要能在没办法 直接研究驯鹿的情况下,学着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:“这全部都是魔术,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难题图片是那些样子做出假设。一群人 会创建四个多多描述新粒子行为的模型。类事于,四个多多新粒子将会有衰变成一大群已知粒子的趋势。没办法 在定义了所要寻找的东西事先,一群人 要能设计出自定义的搜索策略。这项工作通常需合适四个多多博士研究生合适一年的时间,而纳赫曼认为,这种 过程要能完成得调慢、更彻底。

  有研究者提出了CWoLa算法,即无标签分类(Classification Without Labels),要能搜索任意未知粒子的现有数据,无论该粒子是衰变成四个多多类事于型未知粒子,还是四个多多类事于型或不类事于型已知粒子。利用常规的搜索模型,LHC合作妙招妙招机构将会时需合适20年时间来寻找后某种情况的将会性,而目前对前某种情况的搜索仍没办法 任何结果。参与ATLAS项目的纳赫曼表示,CWoLa算法要能一次完成所有那些工作。

  许多实验粒子物理学家也认为,这将是四个多多很有价值的项目。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:“一群人 将会分析了许多可预测的区域,却说 接下来一群人 要现在开始英语 英语 填补那些尚未分析的角落,这是特别要的四个多多方向。”去年,她和许多同事就在尝试设计某种灵活的软件,对一系列不同质量的粒子进行处置,但一群人 中没办法 人对机器学习有足够的了解。“让我 现在是尝试一下的事先了,”帕查尔说道。

  深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。许多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,物理学家毫无难题图片也会错过许多信号。加州大学欧文分校的粒子物理学家丹尼尔·怀特森(Daniel Whiteson)说:“一群人 把信息遗留在桌面上,而当你在四个多多机器上花了1150亿美元,你时会想把信息留在桌子上。”

  不过,机器学习虽然充满了应用守护进程将手臂混淆为哑铃的警示故事(甚至还有更糟糕的情况)。对于LHC,一群人担心机器学习的“捷径”最终反映的是LHC机器某种的各种小难题图片,而那些难题图片正是实验物理学家努力我应该 忽视的。ATLAS项目的物理学家蒂尔·艾费特(Till Eifert)问道:“当你发现四个多多异常时,你虽然它是新物理学突破呢,还是探测器存在了那些有意思的情况?”