人工智能在粒子物理學(xué)中的作用

位于歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）是目前世界上最大的粒子加速器，在里面進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)每秒產(chǎn)生大約一百萬吉字節(jié)（GB，十億字節(jié)）的數(shù)據(jù)。即使經(jīng)過壓縮，LHC在一小時(shí)內(nèi)積累的數(shù)據(jù)也與社交網(wǎng)站臉書整年收集的數(shù)據(jù)量相當(dāng)。這么海量的數(shù)據(jù)，給存儲(chǔ)和分析帶來了極大難題。幸運(yùn)的是，粒子物理學(xué)家不必自己處理所有這些數(shù)據(jù)。他們與一種稱為機(jī)器學(xué)習(xí)的人工智能（AI）攜手合作，來處理這些數(shù)據(jù)。

來自美國能源部斯坦福直線加速器中心（SLAC）和費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家，在8月2日發(fā)表于《自然》雜志的一篇文章中，總結(jié)了機(jī)器學(xué)習(xí)在粒子物理學(xué)領(lǐng)域的當(dāng)前應(yīng)用和未來前景。

該論文共同作者、美國威廉瑪麗學(xué)院的亞力山大·拉多維奇說：“機(jī)器學(xué)習(xí)算法自己知道如何進(jìn)行各種分析，這有望為我們節(jié)省無數(shù)小時(shí)的設(shè)計(jì)和分析工作。”拉多維奇目前正參與費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的NuMI離軸中微子實(shí)驗(yàn)（NOVA）。

機(jī)器學(xué)習(xí)篩查大數(shù)據(jù)

機(jī)器學(xué)習(xí)已被證明在分析領(lǐng)域非常成功。為了處理像在LHC內(nèi)進(jìn)行的那些現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，研究人員應(yīng)用所謂的“觸發(fā)器”——專用的硬件和軟件，它們能實(shí)時(shí)決定哪些數(shù)據(jù)可保存下來以供分析，哪些數(shù)據(jù)可以丟棄。

論文作者之一、麻省理工學(xué)院的邁克·威廉姆斯說，機(jī)器學(xué)習(xí)算法至少可由做出其中70%的決定。威廉姆斯目前正參與LHCb實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)可幫助科學(xué)家揭示為何宇宙中物質(zhì)的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于反物質(zhì)的數(shù)量。

LHC中巨大的超環(huán)面儀器（ATLAS）與緊湊渺子線圈（CMS）能發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子，每個(gè)探測(cè)器都有數(shù)百萬個(gè)傳感元件，其信號(hào)需要放在一起才能獲得有意義的結(jié)果。SLAC的邁克爾·卡根說道：“這些信號(hào)組成了一個(gè)復(fù)雜的數(shù)據(jù)空間，我們需要了解它們之間的關(guān)系，得出結(jié)論，例如，探測(cè)器中某個(gè)粒子的軌跡是由電子、光子還是其他東西產(chǎn)生?！?/p>

中微子實(shí)驗(yàn)也受益于機(jī)器學(xué)習(xí)。NOVA研究了中微子在穿越地球時(shí)如何從一種類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N類型，這些中微子振蕩可能潛在地揭示一種新類型中微子的存在，一些理論認(rèn)為，這種中微子是暗物質(zhì)的粒子。NOVA的探測(cè)器正在監(jiān)視中微子撞擊探測(cè)器材料時(shí)產(chǎn)生的帶電粒子，并且，機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以識(shí)別它們。

識(shí)別特征?進(jìn)行模擬

機(jī)器學(xué)習(xí)算法日益復(fù)雜和精細(xì)，為解決粒子物理問題開辟了前所未有的機(jī)會(huì)。機(jī)器學(xué)習(xí)的最新發(fā)展——所謂的深度學(xué)習(xí)，即使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，改進(jìn)了粒子物理學(xué)家們的實(shí)驗(yàn)方式。

卡根說，他們可以使用深度學(xué)習(xí)的許多新任務(wù)都與計(jì)算機(jī)視覺有關(guān)，“它與面部識(shí)別相似，只是在粒子物理學(xué)中，圖像特征比耳朵和鼻子更抽象。”

像NOVA這類實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)很容易轉(zhuǎn)化為實(shí)際圖像，AI可以很容易地從中識(shí)別特征。拉多維奇說：“即使數(shù)據(jù)看起來不像圖像，如果能夠以正確的方式處理數(shù)據(jù)，我們?nèi)匀豢梢允褂糜?jì)算機(jī)視覺方法。這種方法非常有用的一個(gè)領(lǐng)域是，對(duì)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生的大量粒子射流進(jìn)行分析。”

深度學(xué)習(xí)的另一個(gè)新興應(yīng)用是粒子物理學(xué)數(shù)據(jù)的模擬，如預(yù)測(cè)LHC中的粒子碰撞會(huì)發(fā)生什么，并與實(shí)際數(shù)據(jù)比較。傳統(tǒng)模擬通常很慢且需要巨大的計(jì)算能力，而AI可以更快地進(jìn)行模擬。

卡根說：“雖然這是非常早期的工作，但它顯示出許多希望，并可能有助于應(yīng)對(duì)未來的數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)?！?/p>

質(zhì)疑促進(jìn)進(jìn)步

盡管有明顯進(jìn)步，但機(jī)器學(xué)習(xí)愛好者經(jīng)常需要面對(duì)來自合作伙伴的質(zhì)疑，部分原因是機(jī)器學(xué)習(xí)算法大多數(shù)時(shí)候就像“黑匣子”，很少能提供關(guān)于它們?nèi)绾蔚贸瞿硞€(gè)結(jié)論的信息。

威廉姆斯認(rèn)為：“質(zhì)疑是好事，如果你將機(jī)器學(xué)習(xí)用做丟棄數(shù)據(jù)的觸發(fā)器，就像我們?cè)贚HCb中所做的那樣，那么你需要非常謹(jǐn)慎并設(shè)置非常高的標(biāo)準(zhǔn)。因此，在粒子物理學(xué)領(lǐng)域建立機(jī)器學(xué)習(xí)需要不斷努力，以更好地理解算法的內(nèi)部工作原理，并盡可能地與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉檢查?！?/p>

論文共同作者、工作于MicroBooNE中微子實(shí)驗(yàn)的SLAC研究員寺尾一寬（音譯）說：“在應(yīng)用AI方面，我們應(yīng)該不斷嘗試，并始終對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。質(zhì)疑不應(yīng)成為我們前進(jìn)的障礙。今天我們主要使用機(jī)器學(xué)習(xí)來查找數(shù)據(jù)中的特征，10年后，機(jī)器學(xué)習(xí)算法或許可以獨(dú)立地提出問題，并在發(fā)現(xiàn)新物理學(xué)時(shí)識(shí)別它們。”