Rozpoznawanie obrazów oparte na sztucznej inteligencji może zaoferować naukowcom nowe narzędzie do poszukiwania ciemnej materii.
Brzmi fantastycznie, ale to rzeczywistość dla naukowców pracujących przy największym na świecie zderzaczu cząstek:
W podziemnym tunelu położonym około 90 metrów pod granicą francusko-szwajcarską ogromne urządzenie zwane Wielkim Zderzaczem Hadronów wysyła wiązki protonów zderzających się ze sobą z prędkością bliską prędkości światła, tworząc maleńkie erupcje naśladujące warunki panujące bezpośrednio po wybuchu. Wielki Wybuch.
Naukowcy tacy jak fizyk Duke’a, Ashutosh Kotwal, uważają, że subatomowe pozostałości tych zderzeń mogą zawierać wskazówki dotyczące „brakującej materii” we wszechświecie. I z pewną pomocą sztuczna inteligencjaKotwal ma nadzieję uchwycić te ulotne wskazówki przed kamerą, korzystając z projektu opisanego niedawno w czasopiśmie Raporty naukowe.
Poszukiwanie ciemnej materii
Zwykła materia – substancja składająca się z ludzi i planet – to tylko część tego, co istnieje. Kotwal i inni polują na ciemną materię, niewidzialną materię, której jest pięć razy więcej niż tej, którą widzimy, ale której natura pozostaje tajemnicą.
Naukowcy wiedzą, że istnieje dzięki grawitacyjnemu wpływowi na gwiazdy i galaktyki, ale poza tym nie wiemy o nim zbyt wiele.
Wielki Zderzacz Hadronów może to zmienić. Tam badacze szukają ciemnej materii i innych tajemnic wykorzystując detektory które działają jak gigantyczne cyfrowe kamery 3D, wykonujące ciągłe zdjęcia strumienia cząstek wytwarzanych podczas każdego zderzenia protonów z protonami.
Tylko zwykłe cząsteczki aktywują czujniki detektora. Jeśli naukowcom uda się wytworzyć ciemną materię w LHC, naukowcy uważają, że można ją zauważyć w formie zjawiska zanikania: ciężkich naładowanych cząstek, które przemieszczają się na pewną odległość – około 10 cali – od punktu zderzenia, a następnie rozpadają się w niewidoczny sposób na cząsteczki ciemnej materii bez pozostawiania śladów.
Jeśli prześledzić ścieżki tych cząstek, pozostawią one charakterystyczny „znikający ślad”, który znika w połowie wewnętrznych warstw detektora.
Jednak aby wykryć te nieuchwytne ślady, muszą działać szybko, mówi Kotwal.
Zaawansowane techniki wykrywania
Dzieje się tak dlatego, że detektory LHC co sekundę wykonują około 40 milionów zdjęć latających cząstek.
To za dużo surowych danych, żeby się na nich wszystkich trzymać, a większość z nich nie jest zbyt interesująca. Kotwal szuka igły w stogu siana.
„Większość tych obrazów nie ma specjalnych podpisów, których szukamy” – powiedział Kotwal. „Być może jedna osoba na milion to taka, którą chcemy ocalić”.
Naukowcy mają zaledwie kilka milionowych sekundy na ustalenie, czy dana kolizja jest przedmiotem zainteresowania i zapisanie jej do późniejszej analizy.
„Aby tego dokonać w czasie rzeczywistym i przez wiele miesięcy, wymagana byłaby technika rozpoznawania obrazu, która może działać co najmniej 100 razy szybciej niż cokolwiek, co kiedykolwiek udało się fizycom cząstek elementarnych” – powiedział Kotwal.
Wdrażanie sztucznej inteligencji w fizyce cząstek
Kotwal uważa, że może mieć rozwiązanie. Opracowywał coś, co nazywa się „wyzwalaczem śladów”, szybkim algorytmem, który jest w stanie wykryć i oznaczyć te ulotne ślady przed wystąpieniem kolejnej kolizji spośród chmury dziesiątek tysięcy innych punktów danych mierzonych w tym samym czasie.
Jego projekt opiera się na podziale zadania analizy każdego obrazu pomiędzy dużą liczbę działających jednocześnie silników AI, wbudowanych bezpośrednio w chip krzemowy. Metoda przetwarza obraz w czasie krótszym niż 250 nanosekund, automatycznie usuwając te nieciekawe.
Kotwal po raz pierwszy opisał to podejście w sekwencji dwóch artykułów opublikowanych w latach 2020 i 2021. W nowszym artykule opublikowany w maju tego roku W Raporty naukoweon i zespół współautorów studentów studiów licencjackich pokazują, że jego algorytm może działać na chipie krzemowym.
Kotwal i jego uczniowie planują zbudować prototyp swojego urządzenia do lata przyszłego roku, choć miną kolejne trzy–cztery lata, zanim całe urządzenie – składające się z około 2000 chipów – będzie można zainstalować w detektorach LHC.
W miarę zwiększania się wydajności akceleratora będzie on wytwarzał jeszcze więcej cząstek. Urządzenie Kotwala może pomóc w upewnieniu się, że jeśli ukryje się wśród nich ciemna materia, naukowcy jej nie przeoczą.
„Naszym zadaniem jest dopilnowanie, aby w przypadku produkcji ciemnej materii nasza technologia była w stanie wyłapać ją na gorącym uczynku” – powiedział Kotwal.
Odniesienie: „Komputer graficzny o niskim opóźnieniu do identyfikacji cząstek metastabilnych w Wielkim Zderzaczu Hadronów do analizy w czasie rzeczywistym potencjalnych sygnatur ciemnej materii”, Ashutosh Vijay Kotwal, Hunter Kemeny, Zijie Yang i Jiqing Fan, 3 maja 2024 r., Raporty naukowe.
DOI: 10.1038/s41598-024-60319-9
