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 Деревья растут и люди стареют не потому, что идет время, а из-за происходящих внутри них процессов. Но можно ли сказать, что именно эти процессы порождают время? Ученый создал маленькую Вселенную, в которой дела обстоят именно так.
Кит живет двести лет, умеет пробивать головой полуметровый лед и поет океанский джаз голосом несмазанной дверной петли. Охотоморские гренландские киты — это не просто многотонные ледоколы. Это древние узники, которые остались жить в Охотском море со времен последнего оледенения. Это счастливцы, которые смогли пережить гарпуны китобоев XIX-XX веков, но сегодня уязвимы не меньше. Чтобы спасти этих поразительных китов, российским ученым и команде фонда «Природа и люди» приходится: считать хвосты, читать биографии по шрамам, прятать подростков от хищников, стрелять (спутниковыми метками) с парамоторов и тяжелых дронов. Рассказываем, как устроена жизнь гренландских китов России и кто помогает им не исчезнуть навсегда с лица планеты.
Ученые выяснили, что золото владеет уникальной «техникой самообороны», которая защищает его от потускнения. Оказалось, атомы на поверхности этого металла способны самостоятельно перестраиваться в особые защитные структуры. Такой невидимый барьер блокирует контакт с кислородом и подавляет процесс окисления в триллион раз эффективнее, чем поверхность любого другого металла.
Кит живет двести лет, умеет пробивать головой полуметровый лед и поет океанский джаз голосом несмазанной дверной петли. Охотоморские гренландские киты — это не просто многотонные ледоколы. Это древние узники, которые остались жить в Охотском море со времен последнего оледенения. Это счастливцы, которые смогли пережить гарпуны китобоев XIX-XX веков, но сегодня уязвимы не меньше. Чтобы спасти этих поразительных китов, российским ученым и команде фонда «Природа и люди» приходится: считать хвосты, читать биографии по шрамам, прятать подростков от хищников, стрелять (спутниковыми метками) с парамоторов и тяжелых дронов. Рассказываем, как устроена жизнь гренландских китов России и кто помогает им не исчезнуть навсегда с лица планеты.
Ученые выяснили, почему интервальное голодание для многих оказывается эффективнее обычных диет. Исследование показало, что ограничение времени для приема пищи избавляет худеющего от изнуряющего ощущения жесткого контроля и при этом позволяет сбросить ровно столько же, сколько при скрупулезном подсчете калорий.
Деревья растут и люди стареют не потому, что идет время, а из-за происходящих внутри них процессов. Но можно ли сказать, что именно эти процессы порождают время? Ученый создал маленькую Вселенную, в которой дела обстоят именно так.
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.
Американские ветеринары установили, что длина шага передних лап у пожилых собак отражает возрастные изменения в работе мозга. Когда у собак развивается деменция, шаги их передних лап становятся короче, причем эта связь не зависит от хронической боли в суставах.
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