Μια νέα ανάλυση με τεχνητή νοημοσύνη πέτυχε τη μεγαλύτερη έως σήμερα ευαισθησία στην αναζήτηση μιας συγκεκριμένης υπογραφής διπλού Higgs στα δεδομένα του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC). Τη μέθοδο ανέπτυξαν ερευνητές του πειράματος ATLAS, μεταξύ των οποίων φυσικοί του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν, αξιοποιώντας συγκρούσεις που καταγράφηκαν από το 2015 έως το 2018 και από το 2022 έως τον Ιούνιο. Η εργασία παρουσιάστηκε τον Αύγουστο στο Διεθνές Συνέδριο Φυσικής Υψηλών Ενεργειών, στο Νατάλ της Βραζιλίας, και δημοσιεύθηκε πρόσφατα ως άρθρο στο αποθετήριο προδημοσιεύσεων arXiv.
- Η μέθοδος είναι περίπου 60 φορές πιο ευαίσθητη από τα πρώτα σχετικά αποτελέσματα και κατά 65% από την αμέσως προηγούμενη ανάλυση.
- Η παραγωγή δύο μποζονίων Higgs αναμένεται περίπου μία φορά ανά τρισεκατομμύριο συγκρούσεις.
- Ο αλγόριθμος εξετάζει δεδομένα από ολόκληρη τη δεύτερη περίοδο λειτουργίας του LHC και τα πρώτα δύο χρόνια της τρίτης.
- Η αναβάθμιση του LHC αναμένεται να ολοκληρωθεί σε περίπου τέσσερα χρόνια.
Από την ανακάλυψη του Higgs στην αναζήτηση της αυτοαλληλεπίδρασης
Όταν ο LHC τέθηκε σε λειτουργία το 2008, βασικός στόχος ήταν η αναζήτηση του μποζονίου Higgs, το οποίο είχε προβλεφθεί θεωρητικά στο πλαίσιο του Καθιερωμένου Προτύπου της Σωματιδιακής Φυσικής. Το μοντέλο αυτό περιγράφει τα θεμελιώδη σωματίδια και τις δυνάμεις που δρουν μεταξύ τους.
Το 2012, τα ανεξάρτητα πειράματα ATLAS και CMS του CERN παρουσίασαν τις πειραματικές ενδείξεις για την ύπαρξη του σωματιδίου. Έναν χρόνο αργότερα, οι Φρανσουά Ανγκλέρ και Πίτερ Higgs τιμήθηκαν με το Νόμπελ Φυσικής για τη θεωρία που είχε προβλέψει την ύπαρξή του.
Μετά την ανακάλυψη, το ερευνητικό ενδιαφέρον μετατοπίστηκε από το εάν υπάρχει το Higgs στο πώς ακριβώς λειτουργεί. Ένα από τα ανοιχτά ζητήματα είναι η αυτοαλληλεπίδρασή του, δηλαδή ο τρόπος με τον οποίο το πεδίο Higgs αλληλεπιδρά με τον εαυτό του.
Η μέτρηση αυτής της αλληλεπίδρασης θα μπορούσε να ελέγξει με μεγαλύτερη ακρίβεια το Καθιερωμένο Πρότυπο και να δώσει ενδείξεις για άγνωστη φυσική ή για τη σταθερότητα του σύμπαντος.
Ο αλγόριθμος ξεχωρίζει ένα σήμα ανά τρισεκατομμύριο συγκρούσεις
Στον LHC, δύο δέσμες πρωτονίων συγκρούονται με ταχύτητα κοντά σε εκείνη του φωτός, παράγοντας πλήθος νέων σωματιδίων. Το Higgs είναι ασταθές και διασπάται προτού παρατηρηθεί απευθείας. Οι ανιχνευτές καταγράφουν, όμως, προϊόντα της διάσπασής του, όπως ηλεκτρόνια, μιόνια και φωτόνια, μαζί με στοιχεία για την ενέργεια και την τροχιά τους.
Από αυτά τα ίχνη, οι επιστήμονες επιχειρούν να ανακατασκευάσουν τι συνέβη κατά τη σύγκρουση. Η περίπτωση κατά την οποία μία σύγκρουση πρωτονίων παράγει δύο μποζόνια Higgs είναι ιδιαίτερα σημαντική για τη μελέτη της αυτοαλληλεπίδρασης, αλλά αναμένεται περίπου μία φορά ανά τρισεκατομμύριο συγκρούσεις.
Η ομάδα χρησιμοποίησε νευρωνικό δίκτυο γράφων, έναν τύπο αλγορίθμου μηχανικής μάθησης που μπορεί να επεξεργάζεται τις σχέσεις ανάμεσα στα διαφορετικά στοιχεία ενός συμβάντος. Στόχος του είναι να διακρίνει τις πιθανές υπογραφές διπλού Higgs από το τεράστιο πλήθος συμβάντων υποβάθρου.
Τα δεδομένα προήλθαν από τη δεύτερη περίοδο λειτουργίας του LHC, από το 2015 έως το 2018, και από τα πρώτα δύο χρόνια της τρίτης περιόδου, η οποία άρχισε το 2022. Κατά τη λειτουργία του, το πείραμα δημιουργούσε περίπου 30 εκατομμύρια συγκρούσεις το δευτερόλεπτο.
Η αυξημένη ευαισθησία δεν ισοδυναμεί από μόνη της με ανακάλυψη της αυτοαλληλεπίδρασης· σημαίνει ότι οι ερευνητές μπορούν να αξιοποιήσουν αποτελεσματικότερα τα ήδη διαθέσιμα δεδομένα και να απομονώνουν καλύτερα τα υποψήφια συμβάντα.
Η αναβάθμιση του LHC θα προσφέρει περισσότερα δεδομένα
Η επόμενη φάση θα συνδεθεί με την αναβάθμιση του LHC, η ολοκλήρωση της οποίας αναμένεται σε περίπου τέσσερα χρόνια. Μέχρι τότε, η ομάδα του ATLAS θα συνεχίσει να βελτιώνει τις υπολογιστικές τεχνικές της και να αναλύει τις συγκρούσεις που έχουν ήδη καταγραφεί.
Για τους φυσικούς, περισσότερα δεδομένα και αποτελεσματικότεροι αλγόριθμοι σημαίνουν μεγαλύτερη πιθανότητα να απομονωθεί ένα εξαιρετικά σπάνιο σήμα. Αν οι μελλοντικές μετρήσεις αποκλίνουν από τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου, αυτό θα μπορούσε να υποδείξει ότι η σημερινή περιγραφή του υποατομικού κόσμου δεν είναι πλήρης.
Πιστεύετε ότι η τεχνητή νοημοσύνη θα αποδειχθεί καθοριστική για τις επόμενες ανακαλύψεις στη σωματιδιακή φυσική; Μοιραστείτε την άποψή σας.
