Новий прорив на колайдері завдяки ШІ: нейромережа розкрила рідкісний розпад "частинки Бога"

Дослідники з CERN використали штучний інтелект (ШІ), щоб дослідити одну з найбільш невловимих форм поведінки бозона Хіггса, проливши світло на його тонку взаємодію з чарівними кварками (с-кварками) та наблизивши науку до розуміння того, як так звана частинка Бога надає матерії її масу.

• Китай випередив усіх: найдавніша зоряна карта переписує історію астрономії

Деталі

Виявлений у 2012 році на Великому адронному колайдері (LHC) бозон Хіггса, фундаментальна частинка поля Хіггса, відіграє вирішальну роль у Стандартній моделі фізики елементарних частинок, взаємодіючи з частинками, як-от кварки, для надання маси.

У той час як попередні експерименти підтвердили взаємодію бозона Хіггса з важчими кварками третього покоління, як верхніми, так і нижніми, залишається серйозною проблемою вивчення його зв’язку з кварками другого покоління, такими як чарівний кварк, які утворюють будівельні блоки атомних ядер.

Тепер, у рамках експерименту Compact Muon Solenoid (CMS), одного з двох головних детекторів частинок загального призначення на великому адронному колайдері, дослідницька група оголосила, що вони встановили найточніші межі розпаду бозона Хіггса на чарівні кварки, що стало важливим кроком до розуміння того, як він надає масу матерії.

Утворення бозона Хіггса разом із парою верхніх кварків з подальшим його розпадом на пари кварків є рідкісною подією на великому адронному колайдері, і її особливо важко відрізнити від фонових зіткнень, які виглядають майже ідентичними.

Це пояснюється тим, що кварки не виглядають як окремі частинки, а замість цього утворюють щільні колімовані спреї адронів, які називаються струменями, що подорожують лише на невелику відстань перед розпадом. Це робить особливо складним розрізнення струменів чарівних кварків від струменів, створених іншими кварками.

Щоб подолати виклик, команда CMS звернулася до вдосконаленого штучного інтелекту, використовуючи дві моделі машинного навчання, спеціально розроблені для цього завдання. По-перше, вони використали тип алгоритму, який називається графовою нейронною мережею, щоб покращити ідентифікацію чарівних струменів. Ці алгоритми розглядають кожен струмінь як мережу частинок, навчаючись виявляти тонкі структурні візерунки, унікальні для розпадів чарівних кварків.

Потім команда подолала другу перешкоду, відрізнивши сигнали бозона Хіггса від фонових процесів за допомогою трансформаторної мережі, яка найбільше відома тим, що підтримує мовні моделі штучного інтелекту, такі як ChatGPT.

Ця мережа була перепрофільована, щоб класифікувати цілі події зіткнень, виділяючи ті, які, ймовірно, містять бозон Хіггса, що розпадається на чарівні кварки. Алгоритм позначення с-кварків було навчено на сотнях мільйонів імітованих струменів, що дозволило йому ідентифікувати струмені таких частинок зі значно більшою точністю.

Аналіз зосереджувався на даних, зібраних з 2016 до 2018 років, зокрема на події зіткнення, під час яких бозон Хіггса утворюється разом із парою верхніх кварків. Об’єднавши цей набір даних із результатами попередніх досліджень, CMS досягла приблизно 35-відсоткового покращення чутливості вимірювань взаємодії Хіггса з чарівними кварками. Докторант Гентського університету Ян ван дер Лінден зазначає:

Наші висновки знаменують великий крок. З додатковими даними з майбутніх прогонів LHC і вдосконаленими методами аналізу ми можемо отримати пряме уявлення про взаємодію бозона Хіггса з чарівними кварками на LHC — завдання, яке кілька років тому вважалося неможливим.

Дослідники сподіваються, що в міру того, як LHC збирає більше даних, покращене позначення чарівності та класифікація подій дозволять CMS і супутньому експерименту ATLAS підтвердити розпад бозона Хіггса на чарівні кварки. Це означало б величезний крок до повного розуміння того, як “частинка Бога” надає масу всім кваркам, і забезпечило б вирішальний тест 50-річної Стандартної моделі.

Раніше вчені назвали найкращі рослини для вирощування після кінця світу.