Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
Д. Эверетт
«Не спи — кругом змеи!». Глава из книги


С. Агаханов
Логика логики


Т. Авсиевич
Примитив не приговор, или Physarum polycephalum разумный


Ю. Грановский
Загадка галактических масштабов


М. Тегмарк
«Наша математическая Вселенная». Глава из книги


Н. Резник
Неоднозначность стоп-кодонов


Интервью М. Гельфанда с В. Васильевым
Академик Виктор Васильев: «Если потратишь жизнь на математику, то ты ее не зря прожил»


С. Сингх, Э. Эрнст
«Ни кошелька, ни жизни». Глава из книги


И. Леенсон
Хиральность в живой и неживой природе


А. Колчин, А. Щетников
Ускоритель резиновых мячиков







Главная / Новости науки версия для печати

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.

Рис. 1. Так выглядит с точки зрения детектора процесс рождения одиночного топ-кварка. Точки на концентрических кругах — результаты измерения траектории, гистограмма по периметру показывает энерговыделение частиц, дугами и стрелками показаны восстановленные траектории частиц (изображение с сайта www-d0.fnal.gov)
Рис. 1. Так выглядит с точки зрения детектора процесс рождения одиночного топ-кварка. Точки на концентрических кругах — результаты измерения траектории, гистограмма по периметру показывает энерговыделение частиц, дугами и стрелками показаны восстановленные траектории частиц (изображение с сайта www-d0.fnal.gov)

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).

Рис. 2. Схематическое изображение фундаментальных частиц материи: объем шара примерно соответствует массе частицы (изображение с сайта www-d0.fnal.gov)
Рис. 2. Схематическое изображение фундаментальных частиц материи: объем шара примерно соответствует массе частицы (изображение с сайта www-d0.fnal.gov)

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.

Рис. 3. Два канала рождения топ-кварка без соответствующего антикварка (изображение из обсуждаемого доклада)
Рис. 3. Два канала рождения топ-кварка без соответствующего антикварка (изображение из обсуждаемого доклада)

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.

См. также:
1) Пресс-релиз, посвященный работе.
2) Сводка результатов по физике топ-кварка, полученных на детекторе DZero. Обратите внимание, что опубликованные статьи сопровождаются кратким объяснением на «общепонятном языке» (plain english summary).
3) A Quantum Diaries Survivor — блог одного из участников коллаборации CDF.

Игорь Иванов


Комментарии (2)



Последние новости: ФизикаИгорь Иванов

15.02
Детектор ATLAS увидел рассеяние света на свете
08.02
Самосборкой получены структуры из 144 молекулярных компонентов
02.02
Водород сдает позиции: с помощью электронной дифракции удалось «увидеть» его атомы в нанокристаллах
13.10
Ядерная материя близка к точке квантового фазового перехода
10.10
Нобелевская премия по физике — 2016
22.08
Наконец-то обнаружен аналог излучения Хокинга в холодном квантовом газе
17.08
Спектроскопия мюонного дейтерия обострила проблему с радиусом протона
12.08
ПК обогнал суперкомпьютеры в решении задачи трехчастичного рассеяния
05.08
Двухфотонный пик исчез в новых данных коллайдера
27.07
Рекордные по чувствительности эксперименты LUX и PandaX пока не поймали частицы темной материи

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Дмитрий Сутормин, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2017 II, I  2016 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Индикатор», «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия