Предложен способ удешевления экспериментов физики элементарных частиц с помощью глубоких нейронных сетей
Международная коллаборация с участием ученых факультета компьютерных наук НИУ ВШЭ предложила новый подход к проектированию детекторов для физики элементарных частиц с помощью дифференцируемого программирования и глубоких нейронных сетей. Он позволит оптимизировать производительность инструментов и повысит научную ценность результатов экспериментов.
Результаты исследований опубликованы в журнале Reviews in Physics. Подробнее — в материале IQ.HSE.
Современная физика элементарных частиц получает новую информацию о законах природы и уточняет значения констант благодаря ускорительным экспериментам. Ускорители элементарных частиц позволяют повторять события ранних этапов формирования Вселенной, когда зарождались законы взаимодействия, материя и поля.
Так, детекторы системы LHCb Большого адронного коллайдера, с которым больше всего работает коллаборация MODE, оптимизированы под исследования физики b-кварков. Здесь ученые ищут ответ на вопрос, как так получилось, что вещество в нашей Вселенной стало доминировать над антивеществом.
Система LHCb сложная и дорогая. Для каждого детектора создано отдельное программное обеспечение и алгоритмы обработки данных. При проектировании важна взаимосогласованная настройка и оптимизация всех детекторов эксперимента совместно с алгоритмами, которые обрабатывают данные детекторов.
Требования к детекторам, алгоритмам, программному и аппаратному обеспечению определяются заранее, исходя из опыта и экспертизы планирующих эксперимент ученых. Затем создаются цифровые модели, имитирующие свойства отдельных детекторов, и все они объединяются в общую цифровую модель эксперимента. Она позволяет оценить предполагаемую точность будущего результата для выбранных условий.
Исследователи отмечают, что этот подход имеет существенный недостаток: можно оценить качество результатов эксперимента для заданных конфигураций детекторов, но нельзя выяснить, что нужно изменить в этой сложной системе, чтобы результат стал качественнее.
В случае простого эксперимента с 2–3 компонентами задача решается прямым перебором возможных физических конфигураций и алгоритмов. Для сложной установки требуется перебирать сотни вариантов, задающих различные свойства как детекторов, так и алгоритмов. Ручной перебор возможных вариантов в этом случае не работает, потому что количество вариантов конфигурации эксперимента требует слишком больших вычислительных мощностей. Нужно автоматизировать выбор оптимальной конфигурации.
Коллаборация ученых MODE (Machine-learning Optimized Design of Experiments), в которую входят исследователи из ВШЭ, предложила комплексный подход к решению задачи оптимизации системы и, как следствие, уменьшения расходов на эксперименты. Вместо независимой оптимизации каждого элемента установки — одновременную согласованную оптимизацию всех частей для получения максимально точных и готовых к немедленному анализу данных.
Базово для таких задач требуется описания свойств отдельных компонентов эксперимента объединить в сложную, но тщательно прописанную единую систему. Дифференцируемая модель наиболее эффективна для оптимизации многомерных систем физики элементарных частиц.
Ученые исследовали, каким образом типичные компоненты современных экспериментальных установок могут быть описаны в виде автоматически дифференцируемых моделей. Также они показали, как множества компонент можно собрать в полную систему для всеобъемлющей оптимизации эксперимента.
Исследователи считают, что предложенная схема оптимизации будет полезна любой науко- и техникоемкой индустрии. «Подобные подходы могут быть использованы не только для планирования физических экспериментов, они могут применяться и более широко в индустриальных приложениях. В ближайшем будущем такие подходы позволят значительно сократить как стоимость оборудования, так и издержки во время работы. Развитие и трансфер таких технологий — одна из важных задач нашей команды», — отметил Денис Деркач, заведующий Научно-учебной лабораторией методов анализа больших данных ФКН НИУ ВШЭ.
Telegram 
Дзен 
VK Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Мы много знаем о том, как цивилизации до нас строили дома и дороги, но с объектами материальной культуры дела обстоят сложнее. Ремесленные техники часто хранились в строгом секрете и могли быть случайно утрачены при неудачном стечении обстоятельств. Так случилось с ювелирной техникой цзинь чжэ сы.
Японские исследователи выловили у берегов Окинавы пластиковую бутылку с узким горлышком, внутри которой сидел большой живой краб. В итоге ученые смогли найти ответы на несколько возникших в связи с этой находкой вопросов: как краб попал в бутылку, сколько там находился и как ему удалось выжить?
Ученые Южного федерального университета исследовали новую светочувствительную молекулу и обнаружили, что она ведет себя совсем не так, как ожидалось. Благодаря необычным свойствам она может стать основой для создания умных материалов, сенсоров и лекарств, которые будут активироваться светом именно там, где нужно, например, для борьбы с опасными бактериями.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
В вакууме космоса два металлических предмета, прижатые друг к другу, могут спонтанно свариться без какого-либо нагрева. Из-за отсутствия кислорода на поверхностях деталей разрушается защитный слой, в результате чего свободные электроны начинают мгновенно перемещаться между ними и соединяют два элемента в один монолит.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно