1179
Один із наймасштабніших у світі нейтринних проєктів — Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) — створюють, щоб упіймати одні з найбільш невловимих частинок Всесвіту. Як повідомляє Interesting Engineering, для пошуку цих короткочасних сигналів дедалі активніше залучають штучний інтелект.
Поки гігантський детектор монтують приблизно за кілометр під землею в Південній Дакоті, дослідники розробляють системи ШІ, які мають сортувати величезні масиви даних, виділяти взаємодії нейтрино, помічати ознаки вибуху зірок і навіть виявляти збої у самому детекторі. Це може суттєво змінити підхід до проведення експериментів з фізики частинок такого масштабу.
Замість того щоб чекати, поки традиційний аналіз повільно обробить гори інформації, алгоритми ШІ зможуть майже в реальному часі відокремлювати найважливіші події та скеровувати вчених до сигналів, які варто досліджувати насамперед.
Як «прочитати» сліди привид-частинок
Нейтрино надзвичайно важко вивчати: трильйони таких частинок пролітають крізь наші тіла щосекунди, але взаємодіють із речовиною настільки рідко, що для їх виявлення потрібні гігантські детектори та інтенсивний пучок нейтрино.
Лабораторія Fermilab створить потужний пучок нейтрино, який пройде до детектора в Sanford Underground Research Facility у Південній Дакоті. Там величезні камери, заповнені рідким аргоном, фіксуватимуть крихітні сліди, що залишаються, коли нейтрино зіштовхуються з атомами аргону.
Утримувати стільки аргону в потрібному стані — окремий інженерний виклик. Кожен із двох запланованих кріостатів далекого детектора DUNE має вмістити близько 17 000 тонн рідкого аргону при температурі приблизно −300 °F. Масивні кріогенні ємності мають забезпечувати достатнє охолодження, щоб детектор працював належним чином.
Складність не зникає й після того, як нейтрино все ж зафіксовано. Одна взаємодія може породити кілька частинок, кожна з яких залишає свою доріжку в аргону. Вчені повинні «прокрутити» процес назад: визначити місце зіткнення, встановити, які частинки виникли, а також відновити енергію та напрямок початкового нейтрино.
Дослідники Fermilab уже багато років перевіряють, чи здатне машинне навчання прискорити цей аналіз. Експеримент MicroBooNE був одним із перших у фізиці високих енергій, де застосували глибокі нейронні мережі для обробки зображень із детектора на рідкому аргону. Тепер DUNE має намір просунути цей підхід значно далі.
За словами фахівців, детектор DUNE даватиме зображення взаємодій дуже високої роздільної здатності, майже «фотографічної» якості. Це відкриває нові можливості, але водночас ускладнює реконструкцію: чим більше дрібних деталей видно, тим важче автоматично відновити повну картину події.
ШІ-черговий за вибухами зірок
Ще одна задача, покладена на ШІ в DUNE, — пошук набагато рідкісніших явищ: вибухів наднових у нашій галактиці. Коли масивна зоря колапсує та вибухає, нейтрино вириваються з її надр раніше, ніж світло. Тож вони можуть досягти Землі до того, як спалах стане видимим у телескопи.
Це дає змогу зазирнути у найжорстокіші процеси всередині вмираючої зорі. Величезний детектор на рідкому аргону в DUNE частково будують саме для того, щоб ловити нейтрино від астрофізичних подій, зокрема близьких наднових.
Спеціальний ШІ-тригер постійно стежитиме за даними детектора в пошуках характерного «сплеску» нейтрино від наднової. Якщо система побачить перспективний сигнал, вона збереже інформацію у вікні від 10 секунд до події та до 100 секунд після неї.
Такий механізм може дати астрономам раннє попередження й дозволити швидко розвернути телескопи до зорі, що вибухає, поки її світло ще посилюється. Самі нейтрино допоможуть з’ясувати, що залишається після вибуху — нейтронна зоря чи чорна діра. Таким чином DUNE стає водночас і детектором частинок, і космічною системою раннього сповіщення.
Віртуальний «технік» усередині гігантського детектора
Ще одна прихована проблема масштабів DUNE — підтримка безперервної роботи установки. Під землею мають злагоджено працювати тисячі компонентів, а оператори повинні швидко реагувати на будь-які збої.
Науковці вивчають можливість застосувати велику мовну модель, яка шукатиме в архівах раніше вирішених проблем і підказуватиме операторам найбільш релевантні варіанти виправлення. Алгоритми машинного навчання можуть піти ще далі — навчитися розпізнавати патерни, що вказують на майбутню аномалію в детекторі, ще до фактичної відмови.
Такий підхід відображає ширшу тенденцію: використання ШІ у фізичних експериментах, де дедалі складніші установки генерують більше даних, ніж здатні оперативно обробити традиційні методи.
Фізичний експеримент, побудований разом із ШІ
У перспективі DUNE продукуватиме петабайти даних, тож швидкий та надійний аналіз стає критично важливим. Саме тому інструменти штучного інтелекту створюють паралельно з детектором, а також будують обчислювальну інфраструктуру за участю національних лабораторій і університетів, щоб упоратися з такою інформаційною «повінню».
У співпраці DUNE вже беруть участь понад 1500 науковців та інженерів більш ніж із 35 країн, а також CERN. Проєкт водночас стає платформою для підготовки нового покоління дослідників, які працюватимуть на межі фізики частинок та штучного інтелекту.
Системи ШІ потрібно буде розробити, інтегрувати й ретельно перевірити на реальних даних. Якщо все спрацює так, як задумано, DUNE може стати зразком того, як штучний інтелект допомагає керувати гігантськими експериментами та виявляти в них украй рідкісні сигнали, приховані в колосальних масивах інформації.
Штучний інтелект допоможе DUNE виявляти нейтрино під землею з’явилася спочатку на Цікавості.
