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科学家教机器分析亚原子“汤”

来源: 中国科学报 黄辛

  众所周知,电脑能够击败围棋冠军、模拟恒星爆炸并预测全球气候。人们正逐渐将机器训练成无可挑剔的问题解决者和快速学习者。

  目前,华中师范大学的物理学家及其合作者已经证实电脑能够用于解决宇宙最大的奥秘。该团队通过输入成千上万的高能粒子碰撞模拟图像训练电脑识别图像中的重要特征。研究人员将强大的阵列(称为神经网络)编程为一种类似蜂房的数字大脑,用于分析和解释碰撞中留下的颗粒碎片的图像。在这样的测试中,研究人员发现神经网络在识别大约18000张图像的重要特征时,成功率高达95%。

  这项研究成果已于1月15日在《自然—通讯》上发表。下一步研究计划是将相同的机器学习过程应用于实际的物理实验数据。

  强大的机器学习算法允许神经网络在处理更多图像后改进其分析能力。这项技术还被用于面部识别和其他基于图像的物体识别应用。该研究中使用的图像与美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机和欧洲核子研究中心实验室的大型强子对撞机的重离子对撞机实验紧密相关。这些图像再现了亚原子粒子“汤”的状态,这种超高温流体态就是在宇宙诞生后仅存在百万分之一秒的夸克胶子等离子体。

  “我们尝试着去发现夸克胶子等离子体最重要的性质。”华中师范大学粒子物理研究所所长王新年表示,夸克胶子等离子体的一些性质因为其存在时间极短且发生在极为微小的尺度而蒙上了一层神秘的面纱。

  实验中,物理学家通过粒子对撞机粉碎重核,比如粉碎剥离电子后得到的金原子核和铅原子核。这些碰撞会释放出原子核内部的粒子,甚至打破由夸克和胶子紧紧束缚形成的质子和中子,使夸克和胶子处于自由移动的状态,形成一个瞬间的亚原子尺度的火球——夸克胶子等离子体。

  研究人员希望通过研究夸克胶子等离子体形成的条件,比如说该状态形成所需要的能量以及它转变成流体状态时的温度和压强,进而在物质组成粒子及性质和宇宙成型阶段的研究这两方面得到新的启发。

  但是碰撞中物质相变所涉及的“状态方程”的严格测量的确有极大挑战性。实验中,初始态会影响最后粒子的输出,而从中提取与这些条件无关的状态方程则非常之难。

  “核物理领域中的圣杯就是发现高能相互作用中的相变过程并从实验数据中确定状态方程,”王新年说,“这就是我们需要从实验中探索的夸克胶子等离子体最重要的性质。”

  据悉,该项研究第一作者庞龙刚曾是华中师范大学博士后,现为美国加州大学伯克利分校博士后。他介绍说,他是2016年在法兰克福前沿研究所做博士后的时候开始对人工智能(AI)应用于解决科学问题的潜力产生了兴趣。他与法兰克福高等研究中心的合作者周凯、苏南发现有一类具有深度卷积神经网络的AI,这类AI的发明源于动物大脑对图像处理的架构的启发,而且它在处理科学类图像时有很好的适用性。

  “这类神经网络能够从相机输入中识别出图样并对运动和位置做出评估。”庞龙刚表示,“我们当时就认为,如果具有一些可视化的科学数据,也许能够得到一个抽象的概念或者有价值的物理信息。”

  王新年进一步解释说:“我们尝试通过此类机器学习,从众多图样中得到一个与状态方程有关的独特模式或关联”,所以经过训练的神经网络能在图像中精确定位并发现那些与科学家尝试解决的问题最有联系的关联。

  用于分析所需的数据积累需要很强的计算机方面的资源,庞龙刚说,因为有时候仅仅得到一个图像就需要花一天的时间去做计算,而当他们使用大量的GPU做并行运算时,只需要20分钟就可以得到一个图像。GPU是图形处理部件,最初开发用于改善电脑游戏体验,至今已被用于很多方面。在他们的研究中,大部分的计算工作是在德国GSI和华中师范大学的GPU簇群上完成的。

  据悉,参与该项研究的还有法兰克福前沿研究所、歌德大学、GSI亥姆霍兹重离子研究中心的Hannah Petersen 和 Horst Stocker 教授。 这项工作得益于美国能源部基础能源科学处、美国国家科学基金会、Helmholtz协会、GSI、SAMSON AG、歌德大学、中国国家自然科学基金委员会和国家重大基础研究发展计划以及亥姆霍兹国际反离子和离子研究设施中心的支持。


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