AI帮助大型强子对撞机在探测新粒子方面取得突破

AI帮助大型强子对撞机在探测新粒子方面取得突破 ATLAS 和 CMS 协作小组正在使用最先进的机器学习技术来搜索可能预示着新物理学的奇异对撞。图片来源：S Sioni/CMS-PHO-EVENTS-2021-004-2/M Rayner大型强子对撞机（LHC）实验的主要目标之一是寻找新粒子的迹象，这可以解释物理学中的许多未解之谜。通常情况下，寻找新物理学的目的是以理论预测为指导，一次寻找一种特定类型的新粒子。但是，寻找未预测到的、意想不到的新粒子呢？对物理学家来说，在不清楚要寻找什么的情况下筛选大型强子对撞机实验中发生的数十亿次对撞是一项艰巨的任务。因此，ATLAS 和 CMS 协作小组让人工智能（AI）简化了这一过程，而不是梳理数据和寻找异常。在3月26日举行的莫里翁德 会议（Rencontres de Moriond ）上，来自CMS合作项目的物理学家们展示了利用各种机器学习技术搜索成对"喷流"所获得的最新成果。这些喷流是源自强相互作用夸克和胶子的粒子的准直喷流。它们特别难以分析，但可能隐藏着新的物理学。被人工智能算法确定为高度异常、因此可能来自新粒子的 CMS 事件之一的事件显示。资料来源：CMS 协作ATLAS 和 CMS 的研究人员在搜索喷流时使用了多种策略来训练人工智能算法。通过研究其复杂能量特征的形状，科学家们可以确定是什么粒子产生了喷流。利用真实的碰撞数据，这两个实验的物理学家正在训练他们的人工智能，以识别源自已知粒子的喷流的特征。然后，人工智能能够区分这些喷流和非典型喷流特征，后者可能预示着新的相互作用。这将在数据集中显示为非典型喷流的累积。另一种方法是指示人工智能算法考虑整个碰撞事件，并在检测到的不同粒子中寻找异常特征。这些异常特征可能预示着新粒子的存在。2023 年7 月，ATLAS 发布的一篇论文展示了这一技术，这是在大型强子对撞机结果中首次使用无监督机器学习技术。在 CMS，一种不同的方法是物理学家创建潜在新信号的模拟示例，然后让人工智能识别真实数据中与常规喷流不同但与模拟相似的碰撞。在 CMS 公布的最新结果中，每种人工智能训练方法对不同类型的新粒子表现出不同的敏感性，没有一种算法被证明是最好的。CMS 团队能够限制产生异常喷流的几种不同类型粒子的产生率。他们还能够证明，与传统技术相比，人工智能主导的算法大大提高了对各种粒子特征的灵敏度。这些结果表明，机器学习正在彻底改变对新物理学的探索。CMS分析团队的奥兹-阿姆拉姆（Oz Amram）说："我们已经有了进一步改进算法的想法，并将其应用于数据的不同部分，以搜索多种粒子。"编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：

中国建成世界最大最深的暗物质实验室

中国建成世界最大最深的暗物质实验室 中国锦屏地下实验室（CJPL）自2010年投运，经过三年修建，中国锦屏地下实验室二期（CJPL-II）于2023年12月投入科学运行。其33万立方米的超大空间超过了之前深度和体积的纪录保持者意大利的格兰萨索国家实验室（LNGS）。更大的空间让粒子和天体物理氙探测实验（PandaX）和中国暗物质实验（CDEX）这类项目可以再次升级。芝加哥大学的物理学家Juan Collar说：“他们在十年内完成的工作令人赞叹。”暗物质一直是科学界的一个谜。物理学家经过计算发现，可见物质产生的引力太弱，无法阻止快速移动的星系飞散。因此，他们提出理论，认为暗物质就像不可见的胶水，把整个宇宙黏在一起。虽然暗物质理应无处不在，但事实证明直接观测到暗物质很难，因为理论上暗物质与普通物质不会相互作用，也不会释放、反射或吸收光。之前有人提出探测到了暗物质，但反驳观点认为，这些实验可能受到了其他信号的混淆。科学荣誉等候着第一个探测到暗物质的人，这也是粒子物理学的最大任务之一，在CDEX合作组工作的台湾中央研究院的物理学家Henry Tsz-King Wong说道。山下之光寻找暗物质的最佳场所是地下，因为岩体能替探测器挡掉背景“噪音”，比如从太空向地球洒落的高能粒子宇宙射线就会淹没潜在的暗物质信号，意大利国家核物理研究院的物理学家Marco Selvi说，想从地球表面探测暗物质就像在一个人声鼎沸的体育场里辨认一个小孩发出的微弱声音。在深地环境下，CJPL-II 的宇宙线通量仅为地表的0.000001%，使其成为世界上屏蔽效果最好的地下实验室之一。实验室的墙体还包裹了由橡胶、混凝土等材料混合而成的10厘米厚的保护结构，能防止周围岩体释放的水和放射性氡气，以免暗物质探测实验受到干扰。实验室的研究团队已经在利用新增的空间了。在CJPL-II施工期间，PandaX团队将其探测器从120公斤液氙升级到4吨。当潜在的暗物质颗粒与氙原子发生碰撞，其能量就会转变成能被光电传感器探测到的闪光。该探测器很快将赶上LNGS的XENONnT实验（8.6吨）以及美国桑福德地下研究所的LUX-ZEPLIN实验（7吨）。PandaX-4T探测器位于一个900立方米的水池中，这是为了能进一步屏蔽杂散粒子的干扰，团队成员、上海交通大学物理学家周宁表示，“灵敏度提升后，我们就能用探测器测试不同类型的相互作用。”该团队最终想要打造一个40-50吨的氙探测器，有望与以40吨为目标的达尔文实验（DARWIN Experiment）相抗衡。与此同时，CDEX团队也在部署一台锗探测器，锗探测器能寻找比氙实验寻找的质量更小的潜在暗物质粒子，CDEX团队成员、北京清华大学物理学家岳骞说。CDEX探测器已经从1公斤锗升级到10公斤锗，并计划打造一个1吨量级的探测器阵列。如果一个暗物质粒子撞到了这个探测器，其相互作用就应产生电荷，这个电荷会转换为电信号。岳骞希望CDEX能吸引更多国际合作，目前已经有印度和土耳其的研究人员加入。Selvi说，虽然各国对暗物质的搜寻非常激烈，但世界上多个地下实验室共同开展相似实验能让研究人员比对结果。2022年，PandaX团队便使用一种类似手段确认了LNGS的XENON 实验的结果该实验发现2020年XENON探测到的一个意外信号来自背景噪音而不是暗物质。Collar认为，新的方法和理论也将推动暗物质的研究，而不是用更大更灵敏的探测器打败对手。他说，“已经有很多重复的版本了。”周宁说，下一个十年里，CJPL-II团队将继续提升探测器的灵敏度。他也希望全球暗物质研究社区能共享数据并将CJPL-II的数据与他们自己的数据结合。他说：“我们还有很多工作要做。” ... PC版： 手机版：

科学家提出搜寻暗物质的新方法

科学家提出搜寻暗物质的新方法 自暗物质被发现以来，科学家们一直未能探测到它，即使几十年来在世界各地部署了多个超灵敏粒子探测器实验也无济于事。现在，美国能源部（DOE）SLAC 国家加速器实验室的物理学家们提出了一种利用量子设备寻找暗物质的新方法。SLAC物理学家丽贝卡-利恩（Rebecca Leane）是这项新研究的作者之一，她认为大多数暗物质实验都在寻找银河系暗物质，这种暗物质会直接从太空发射到地球上，但另一种暗物质可能已经在地球周围徘徊了很多年。利恩说："暗物质进入地球后，会四处弹跳，最终被地球的引力场困住。随着时间的推移，这种热化暗物质的密度会比少数松散的星系粒子更高，这意味着它更有可能撞上探测器。不幸的是，热化暗物质的移动速度要比银河系暗物质慢得多，这意味着它传递的能量要比银河系暗物质少得多传统探测器可能无法看到。"有鉴于此，利恩和 SLAC 博士后研究员阿尼尔班-达斯找到了 SLAC 的科学家诺亚-库林斯基，他是一个新实验室的负责人，主要研究用量子传感器探测暗物质。库林斯基说，科学家通常认为这是因为冷却系统不完善或环境中存在热源。但他说，可能还有其他原因："如果我们实际上有一个完美的冷系统，而我们无法有效冷却它的原因是它不断受到暗物质的轰击呢？"达斯、库林斯基和利恩想知道，超导量子设备是否可以重新设计为热化暗物质探测器。根据他们的计算，激活量子传感器所需的最小能量足够低，约为千分之一电子伏特，因此它可以探测到低能量的银河系暗物质以及悬浮在地球周围的热化暗物质粒子。当然，这并不意味着暗物质是量子设备失灵的罪魁祸首只是说它是可能的，下一步就是要弄清楚他们能否以及如何将敏感的量子设备变成暗物质探测器。因此，有几件事需要考虑。首先，也许有更好的材料来制造这种装置。利恩说："我们一开始考虑的是铝，这只是因为铝可能是迄今为止用于探测器的特性最好的材料。但事实可能证明，对于我们正在研究的质量范围和我们想要使用的探测器类型，也许有更好的材料。"利恩说，还有一种可能性是，热化暗物质与量子设备的相互作用不会像银河系暗物质被怀疑与直接探测设备的相互作用那样。在这项研究中只是考虑了暗物质进入并直接弹开探测器的简单情况，但它还可以做很多其他事情。例如，其他粒子可能与暗物质相互作用，改变探测器中粒子的分布方式。"这就是在 SLAC 工作的好处之一。我们确实有相当多样化的小组在从事许多不同的科学研究，我觉得这个项目是 SLAC 研究的一个非常好的协同效应。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

先进粒子成像仪准备安装在NASA的IMAP航天器上

先进粒子成像仪准备安装在NASA的IMAP航天器上 星际绘图和加速探测器（IMAP）的艺术印象。这项任务将帮助我们更好地了解来自太阳的粒子流（称为太阳风），以及这些粒子如何与太阳系内外的空间相互作用。资料来源：美国国家航空航天局/约翰-霍普金斯 APL/普林斯顿大学/史蒂夫-格里本IMAP-Ultra 捕获从太阳系边缘出发的中性原子的重要数据，有助于了解星际和太阳风的相互作用。整合后和校准前的 IMAP-Ultra 45 仪器。资料来源：NASA/Johns Hopkins APL/PrincetonIMAP-Ultra 是 IMAP 上的三个成像仪之一，用于捕捉从太阳系边界出发的 ENA。当太阳风中的带电粒子到达我们的日光层外部时，它们会与星际中性粒子相互作用并转化为ENA。ENA仍然保留着原始带电粒子的信息，但失去电荷的ENA可以不受太阳磁场的束缚在太空中飞行，并最终到达IMAP。这三个成像仪将捕捉不同能级的ENA数据。IMAP-Ultra 还具有独特的镀金叶片，可偏转带电粒子，只允许中性原子到达仪器的传感器。振动技术员 Tamlyn Franklin、Ultra 系统保证经理 Mark LeBlanc、Ultra 首席工程师 Alexandra Dupont、Ultra 机械工程师 Cody Huber 和 Ultra 机械工程师 Chris Gingrich 在约翰霍普金斯 APL 准备进行 Ultra 仪器振动测试。普林斯顿大学教授戴维-麦考马斯（David J. McComas）领导着由 25 个合作机构组成的国际团队执行 IMAP 任务。位于马里兰州劳雷尔的约翰-霍普金斯应用物理实验室负责建造航天器和执行任务。IMAP是美国宇航局日地探测器（STP）计划组合中的第五个任务。位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的探索者和太阳物理学项目部负责管理美国宇航局科学任务局太阳物理学部的STP计划。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

来自宇宙的幽灵粒子：冰立方的中微子搜索将改写天体物理学

来自宇宙的幽灵粒子：冰立方的中微子搜索将改写天体物理学 每秒钟大约有一万亿个叫做中微子的微小粒子穿过你的身体。这些在宇宙大爆炸期间产生的"遗迹"中微子遍布整个宇宙，但它们不会伤害你。事实上，在你的一生中，只有一个中微子有可能轻触你体内的一个原子。由黑洞等天体产生的大多数中微子比漂浮在太空中的遗迹中微子能量大得多。虽然这些高能中微子更为罕见，但它们更有可能撞上什么东西，并产生像我这样的物理学家可以探测到的信号。但为了探测到它们，中微子物理学家不得不建造非常大型的实验。冰立方就是这样一个实验，它在2024年4月发表的一项研究中记录了一种特别罕见的高能天体物理中微子。这些高能中微子经常伪装成其他更常见类型的中微子。但是，我和我的同事第一次成功地探测到了它们，从近 10 年的数据中提取出了一些。它们的出现让像我这样的研究人员离揭开天体中微子等高能粒子如何产生之谜更近了一步。冰立方位于数以吨计的透明冰层上，让科学家们能够看到中微子的相互作用。资料来源：克里斯托弗-米歇尔冰立方中微子天文台冰立方中微子天文台是大型中微子实验中重达 800 磅的庞然大物。它拥有约 5000 个传感器，十多年来一直在仔细观察南极地下的千兆吨冰层。当中微子与冰层中的原子碰撞时，会产生一个光球，传感器会将其记录下来。当中微子穿过冰立方时，其中的一小部分会与冰中的原子相互作用并产生光，传感器会记录下这些光。在视频中，球体代表各个传感器，每个球体的大小与其探测到的光的多少成正比。颜色表示光的相对到达时间，根据彩虹的颜色，红色到达时间最早，紫色最晚。冰立方已经探测到在多个地方产生的中微子，如地球大气层、银河系中心以及许多光年外其他星系的黑洞。但是，中微子中的一种高能中微子tau 中微子，却一直躲避着冰立方直到现在。 中微子有三种不同类型，物理学家称之为"味道"。每种味道都会在冰立方这样的探测器上留下独特的印记。当中微子撞击另一种粒子时，通常会产生与其味道相对应的带电粒子。μ介子中微子产生μ介子，电子中微子产生电子，头中微子产生头。具有μ介子味道的中微子具有最明显的特征，因此我和冰立方合作小组的同事们自然首先寻找这些中微子。μ介子中微子碰撞释放出的μ介子在衰变前会穿过数百米的冰层，形成一条长长的可探测光轨。通过这条轨迹，研究人员可以追踪中微子的来源。研究小组接下来研究了电子中微子，其相互作用产生了一个大致球形的光球。电子中微子碰撞产生的电子永远不会衰变，它会撞向它靠近的冰层中的每一个粒子。在电子最终静止之前，这种相互作用会留下一个不断膨胀的光球。由于电子中微子的方向很难用肉眼辨别，冰立方的物理学家们应用机器学习技术来回溯电子中微子可能产生的位置。这些技术利用复杂的计算资源，调整数百万个参数，将中微子信号从所有已知背景中分离出来。第三种中微子tau中微子是三重奏中的变色龙。一个tau中微子可以显示为一条光轨，而下一个tau中微子则可以显示为一个球。在碰撞中产生的头中微子在衰变前只飞行了几分之一秒，当它衰变时，通常会产生一个光球。这些tau中微子会产生两个光球，一个是它们最初撞击到某个物体并产生tau粒子，另一个则是tau粒子本身发生衰变。大多数情况下，中微子只飞行了很短的距离就衰变了，这使得两个光球重叠得非常厉害，以至于无法与一个光球区分开来。但在能量较高的情况下，发射出的tau粒子可以飞行数十米，导致两个光球彼此分离。掌握了这些机器学习技术的物理学家可以看穿这一点，从而大海捞针。 高能tau中微子利用这些计算工具，研究小组成功地从大约10年的数据中提取出7个强候选tau中微子。这些tau中微子的能量甚至比地球上最强大的粒子加速器还要高，这意味着它们一定来自天体物理源，比如黑洞。这些数据证实了冰立方先前发现的天体物理中微子，也证实了冰立方先前发现的天体物理tau中微子的蛛丝马迹。这些结果还表明，即使在最高能量和最远距离上，中微子的行为方式也与它们在较低能量下的行为方式基本相同。特别是，对天体物理tau中微子的探测证实，来自遥远来源的高能中微子会改变味道或振荡。能量更低的中微子在更短的距离内也会以同样的方式振荡。黑洞，如图中的黑洞，可以发射高能中微子。图片来源：NASA / CXC / M. Weiss随着"冰立方"和其他中微子实验收集到更多数据，科学家们也更善于区分三种中微子，研究人员最终将能够猜测来自黑洞的中微子是如何产生的。我们还想弄清楚，地球与这些遥远的天体物理中微子加速器之间的空间是否会根据粒子的质量对粒子进行不同的处理。与来自宇宙大爆炸的更常见的中微子相比，高能量的头中微子及其μ介子和电子表亲总是要少一些。但它们的数量足以帮助像我这样的科学家寻找宇宙中最强大的中微子发射器，并研究两者之间的无限空间。作者：道格-考恩（Doug Cowen），宾夕法尼亚州立大学物理教授、天文学和天体物理学教授。编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

Nanocryotron“超导开关”可增强探测器观察粒子时的灵敏度

Nanocryotron“超导开关”可增强探测器观察粒子时的灵敏度 为了让科学家们更准确地观察这些粒子的行为，这些微弱的电信号或电流需要通过一种能够将微弱的电闪变为真正的震动的仪器来倍增。电流倍增技术的进步美国能源部（DOE）阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的科学家们开发出了一种新装置，它可以充当"电流倍增器"。这种装置被称为"Nanocryotron "，它是一种机制的原型，可以将粒子的电信号提升到足够高的水平，从而暂时关闭材料的超导性，本质上是创造了一种开关。阿贡玛丽亚-戈珀特-迈尔研究员之一、该研究的作者托马斯-波拉科维奇说："我们正在利用一个微小的信号来触发一个电级联。我们将把这些探测器的微小电流导入开关设备，然后利用开关设备切换更大的电流"。提高 Nanocryotron 性能由于涉及到高磁场，要为对撞机实验准备好Nanocryotron还需要更多的工作。如今的粒子探测器可以承受几特斯拉强度的磁场，而这种开关的性能在高磁场中会下降。该研究的另一位作者、阿贡研究生研究助理蒂莫西-德拉赫（Timothy Draher）说："找到使该设备在更高磁场中工作的方法，是将其纳入实际实验的关键。"为了实现这一目标，研究人员计划改变材料的几何形状，引入缺陷或小孔。这些缺陷将帮助研究人员稳定材料中的小型超导漩涡，这些漩涡的移动会导致超导性的意外中断。平行沟道超导Nanocryotron的假彩色扫描电子显微镜图像。蓝色表示地平面，灰色表示沟槽和纳米线间隙，绿色表示有效的氮化铌沟道，红色表示氮化铌栅到扼流圈的收缩。比例尺为 2 μm。资料来源：阿贡国家实验室制作和潜在应用Nanocryotron是通过电子束光刻技术制作的，这是一种模板技术，使用电子束去除聚合物薄膜，以暴露特定的感兴趣区域。然后使用等离子体离子蚀刻技术对感兴趣的区域进行蚀刻。Draher 说："我们只是剥去暴露在外的部分，留下我们想要使用的设备。"该研究的另一位作者、阿贡物理学家瓦伦丁-诺沃萨德（Valentine Novosad）认为，这种新装置还可以作为一种电子逻辑电路的基础。"这项工作对于对撞机实验尤为重要，例如将在布鲁克海文国家实验室的电子-离子对撞机上进行的实验。Nanocryotron阿贡杰出研究员、小组负责人Zein-Eddine Meziani说："在那里，靠近光束的超导纳米线探测器需要对磁场免疫的微电子技术。"根据这项研究撰写的论文"磁场中平行通道Nanocryotron的设计与性能"发表在2023年12月18日出版的《应用物理通讯》上。除德拉赫、蔡恩-埃丁、波拉科维奇和诺沃萨德外，论文作者还包括李毅、约翰-皮尔森、艾伦-迪博斯和肖志立。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：