Умные алгоритмы помогли совершить открытие в физике элементарных частиц
Впервые надежно зарегистрирован процесс одиночного рождения топ-кварка, за которым физики охотятся уже много лет. Ключевую роль сыграли «умные» алгоритмы обработки информации. Разработанные методы должны помочь в поиске бозона Хиггса.
|
Согласно Стандартной модели элементарных частиц, вещество состоит из кварков и лептонов. Кварки и лептоны обладают разнообразными свойствами, однако среди них особняком стоит топ-кварк (t-кварк).
|
Топ-кварк — не только самая тяжелая из известных на сегодня частиц материи (см. рис. 2), но и сильнее всего из них взаимодействует с «глубинным фундаментом» современной физики элементарных частиц — с не открытым еще бозоном Хиггса и, возможно, с другими гипотетическими частицами, которые с завидной регулярностью выдумывают теоретики. Именно поэтому изучение топ-кварка предоставляет редкую возможность «заглянуть» в мир тяжелых, до сих пор не обнаруженных частиц с помощью косвенных измерений.
Стандартный путь изучения свойств элементарных частиц таков. Исходные частицы разгоняются в ускорителе до высоких энергий «на встречных курсах» и в определенном месте сталкиваются друг с другом. Если энергия частиц велика, то в процессе столкновения рождается множество новых частиц, обычно нестабильных. Эти частицы, разлетаясь из точки столкновения, распадаются на более устойчивые частицы, которые и регистрируются детекторами. Для каждого такого акта столкновения (физики говорят: для каждого события) — а они регистрируются тысячами в секунду! — экспериментаторы в результате определяют кинематические переменные: значения импульсов и энергий «пойманных» частиц, а также их траектории (см. рис. 1). Набрав много событий одного типа и изучив распределения этих кинематических величин, физики восстанавливают то, как протекало взаимодействие.
Протон-антипротонный коллайдер Тэватрон в Фермилабе — единственный на сегодня ускоритель, энергия которого достаточна для рождения топ-кварков. Обычно топ-кварки в столкновениях протонов рождаются парами (t-кварк и t-антикварк). Но поскольку этот процесс протекает за счет сильного взаимодействия, а оно изучено достаточно хорошо, эта реакция не слишком интересна для изучения основ мироздания.
Имеется, однако, и другая возможность произвести на свет t-кварк: с помощью электрослабых сил. Две разновидности этого процесса одиночного рождения топ-кварка, за которым физики охотятся уже несколько лет, показаны на рис. 3. Интерес к нему возник более десяти лет назад, когда стало понятно, что разнообразные экзотические варианты теории электрослабого взаимодействия по-разному предсказывают течение этой реакции. Несмотря на долгое «молчание» экспериментаторов, это направление исследований остается очень активным и по сей день: достаточно сказать, что сейчас публикуется по несколько статей в месяц, посвященных разнообразным свойствам этого процесса.
Стоит, кстати, заметить, что отличия в протекании этой реакции, которые предсказывают экзотические разновидности теории, не кардинальны. В них по сравнению со Стандартной моделью могут изменяться вероятности тех или иных путей протекания этой реакции, но весь набор частиц, которые попадут в детектор, а также их кинематические распределения будут более или менее теми же. Это означает, что экспериментаторы могут смело использовать универсальные алгоритмы поиска этой редкой реакции, не подстраиваясь под какую-то конкретную модель.
|
Экспериментаторы, впрочем, не сидели сложа руки. Обе коллаборации, работающие на Тэватроне, — DZero и CDF, — за последние 5 лет неоднократно возвращались к поиску проявлений этого процесса во всё возрастающем массиве накопленных экспериментальных данных. Задача эта непростая: искомый процесс очень редкий, и разобраться, в каком случае мешанина попавших в детекторы частиц получилась за счет одиночного рождения топ-кварка, чрезвычайно непросто (см. рис. 1). Поэтому параллельно с накоплением статистики экспериментаторы разрабатывали и адаптировали для своих задач всё более «интеллектуальные» системы поиска сигналов заданной «формы» в огромном массиве данных.
Кульминацией этих поисков стал доклад «Evidence for Production of Single Top Quarks at D0 and A First Direct Measurement of |Vtb|», представленный 8 декабря участником эксперимента DZero Дуганом О'Нейлом (Dugan O'Neil) от имени всей коллаборации (PDF-файл, 2,1 Мб). В нём сообщается, что количество «сигнальных событий», зарегистрированных этим экспериментом за последние 4 года, стало достаточно большим для того, чтобы сделать вывод: этот процесс действительно протекает. (Отметим, впрочем, что в терминологии, принятой в физике элементарных частиц, сигнал такого уровня достоверности называется не «открытием», а «указанием на существование».)
Чтобы выделить нужный процесс из миллиардов зарегистрированных событий, вначале производился «предварительный отбор кандидатов». Выбирались лишь события, удовлетворявшие определенным критериям как по количеству зарегистрированных частиц, так и по их кинематическим переменным. После такого отбора осталось лишь около тысячи событий, среди которых, как ожидалось, должны были находиться и несколько десятков случаев одиночного рождения топ-кварка (остальные события — результаты других реакций, которые случайно попали в нужную кинематическую область).
Выделить из них искомый сигнал, однако, очень непросто. Никаких бросающихся в глаза различий уже не осталось, поскольку всё очевидное было использовано на первом этапе отбора. Вычислить примерное количество нужных событий можно, лишь внимательно изучив взаимозависимость десятков кинематических величин для каждого события.
Именно для этой задачи и были привлечены «интеллектуальные» методы обработки информации. В докладе были подробно описаны три разные стратегии обработки данных: деревья решений, метод матричных элементов и байесовы нейронные сети. Каждый из этих алгоритмов вначале «обучался» эффективно распознавать события нужной конфигурации на специально сгенерированных наборах псевдоданных, а затем его применяли для обработки реально собранной статистики.
Все три алгоритма уверенно показали ненулевой сигнал: то есть подтвердили, что в экспериментальных данных действительно присутствуют события нужной конфигурации. Наиболее чувствительным оказался метод дерева решений, который показал сигнал на уровне достоверности 99,9% (отличие от нуля на 3,4 стандартных отклонения). Это число и позволило физикам из DZero впервые заявить о наблюдении этого редкого процесса.
Количество одиночных рождений топ-кварка, полученное этими методами, по порядку величины соответствовало ожиданиям теоретиков. Более конкретный вывод — отличаются ли данные от предсказаний Стандартной модели — сделать пока трудно из-за больших погрешностей эксперимента. В течение 2007 года стоит, по-видимому, ожидать улучшенных результатов как с DZero, так и со второго эксперимента, CDF, на котором аналогичный анализ еще не закончен. После этого уже можно будет приниматься за проверку разнообразных теоретических предсказаний и отбраковку тех из них, которые вступают в противоречие с экспериментом.
В заключение стоит еще раз подчеркнуть ключевую роль интеллектуальных методов поиска подобной информации в большом массиве данных. Без них физикам пришлось бы ждать еще несколько лет, пока искомый сигнал, легко заметный для умных алгоритмов, не стал бы очевидным в буквальном смысле слова и для человека. В свете такого прогресса в построении и применении умных алгоритмов в который раз возникает вопрос: так, может быть, Тэватрон успеет «углядеть» хиггсовский бозон до того, как вступит в строй Большой адронный коллайдер LHC в ЦЕРНе? Этого открытия уже который десяток лет ждут не только сами физики, но и, образно говоря, «специально отложенная» Нобелевская премия. Что ж, Тэватрону на выполнение этой задачи осталось около двух лет.
