عن اللقاء بين فيزياء الجسيمات والذكاء الاصطناعي
يقول يوناتان شلومي، طالب دكتوراه في مجموعة البروفيسور يوناتان شلومي: "إننا ننظر إلى شيء يمكن مقارنته ببقايا طائرة تحطمت، ونحاول إعادة إنتاج لون سروال الراكب في المقعد A17". عيلام جروس من معهد وايزمان للعلوم. فقط "الطائرة" التي يشير إليها شلومي هي مسرع الجسيمات LHC في مركز أبحاث CERN، والاصطدام هو في الواقع اصطدام جسيمات.
معجل الجسيمات في المحور ليس غريبا على البروفيسور جروس. بين الأعوام 2013-2011 ترأس المجموعة التي كانت مسؤولة عن البحث عن بوزون هيغز في كاشف أطلس، إحدى المجموعتين اللتين أعلنتا اكتشاف الجسيم في يوليو 2012. كان اكتشاف الجسيم، المعروف باسم "الجسيم الإلهي"، بمثابة الحل للغز فيزيائي عمره عقود - كيف تحصل الجسيمات على الكتلة؟ ووفقا للنموذج الذي تنبأ به بيتر هيجز في الستينيات، فإن هذا الجسيم هو المسؤول عن هذه الآلية. لكن حتى عام 60 ظل الجسيم في نطاق النموذج النظري، على الرغم من المحاولات المتعددة لتحديد موقعه. وكما ذكرنا، رغم كل الصعاب، تم اكتشاف الجسيم. تم حل اللغز الجماعي، وفي عام 2012 عاد البروفيسور جروس من سويسرا. ولكن ما الذي بقي عليك فعله بعد أن شاركت في جهد حل أحد أكبر الألغاز في عالم الفيزياء، ونضجت الجهود؟
الطريقة الواضحة للتقدم في فيزياء الجسيمات هي اكتشاف جانب جديد لم يكن معروفا من قبل - اكتشاف جسيم جديد، على سبيل المثال. بعد اكتشاف الجسيم الإلهي، تركزت الجهود على المحور في محاولة لإثبات النماذج النظرية الأخرى، مثل التناظر الفائق - والذي بموجبه يكون لكل بوزون شريك فائق الفيرميونية. ولكن بما أن هذه الجهود لم تؤت ثمارها، فقد أصبح من الواضح للبروفيسور جروس أن الوقت قد حان لاتخاذ مسار مختلف: دقة وتحسين وسائل تحليل البيانات، بهدف تحسين استخلاص البيانات الموجودة و كفاءة البحث عن جسيمات جديدة في المسرعات الحالية والمستقبلية. ولهذا الغرض، قام بتأسيس مجموعة بحثية جديدة في المعهد، تهدف إلى حل المشكلات في فيزياء الجسيمات باستخدام التعلم الآلي. وكان شلومي أول طالب ينضم إلى المجموعة، وكانت المهمة التي قام بها هي تحسين تحليل بيانات كاشف ATLAS، الذي يحتوي على حوالي 100 مليون مكون.
عندما تصطدم الجسيمات داخل كاشف ATLAS، تلتقط مكوناته قياسات الطاقة التي يجب على العلماء فك شفرتها. بالإضافة إلى حقيقة أن هناك مليار تصادم للجسيمات في كل ثانية يعمل فيها مسرع الجسيمات، تنشأ مشكلة يجب مهاجمتها من اتجاهين مختلفين: من ناحية، من الواضح أن كمية البيانات لا تسمح بفك التشفير يدويًا؛ ومن ناحية أخرى، وبما أن هذه أحداث سريعة تحدث على نطاق مجهري، فإن عدد المكونات الموجودة في الكاشف - مهما كان كبيرا - لا يزال غير قادر على استيعاب جميع الأحداث بشكل مرضي وعلى مستوى عال من الدقة.
وكانت المهمة الأولى التي اختارها أعضاء مجموعة البحث هي تحسين القدرة على التمييز بين أنواع مختلفة من الكواركات - الجسيمات الأساسية التي يتم الحصول عليها نتيجة تصادمات الجسيمات. هناك ستة أنواع من الكواركات، ولكل نوع كتلة مختلفة، وهو ما يحدد احتمال اضمحلال جسيم هيغز إلى نوع معين من الكواركات نتيجة الاصطدام. على سبيل المثال، احتمال رؤية تحلل هيغز إلى كوارك سفلي مرتفع جدًا - نظرًا لأن كتلته عالية - في حين أن "الكوارك العلوي" و"الكوارك السفلي" خفيفان جدًا بحيث لا يمكن قياسهما. ولكن هناك كوارك واحد - كوارك سحري - ليس ثقيلًا جدًا ولا خفيفًا جدًا، لذلك يعد التعرف عليه وتمييزه عن الكوارك السفلي تحديًا كبيرًا.
ولهذا الغرض تم تطوير مجموعة البحث خوارزمية تدفق الجسيمات (تدفق الجسيمات)، والذي يدرس نمط حركتها وتوزيع الطاقة في المكان والزمان. ومن خلال إدخال مليارات الأمثلة في عمليات محاكاة تصادم الجسيمات، تمكن العلماء من إظهار إمكانية تعليم الكمبيوتر كيفية التعرف على البيانات وتحليلها. يقول البروفيسور جروس: "ليس لدينا الوسائل اللازمة لبناء أجهزة كشف أكثر دقة، ولكن بما أننا نفهم الفيزياء وراء الاصطدامات، فمن الممكن إنتاج محاكاة عالية الدقة لاصطدامات الجسيمات لنتساءل: كيف يمكن للكاشف أن يفعل ذلك؟ تتفاعل إذا كانت تحتوي على المزيد من المكونات، وبالتالي أيضًا القدرة على قياس الاصطدامات بشكل أكثر دقة؟
والآن بعد أن نجح البروفيسور جروس وأعضاء مجموعته في إظهار جدوى الخوارزمية التي طوروها، فإن الخطوة التالية ستكون فحصها على نطاق أوسع. يقول شلومي: "المفهوم حاليًا هو أنه من أجل استخلاص القيمة العلمية من القياسات التي تم إجراؤها في LHC، يجب أن تكون حساسيتنا عالية قدر الإمكان". "إن عمليات المحاكاة الدقيقة هي الأداة التي يمكننا من خلالها زيادة الحساسية إلى أقصى حد."
"أعتقد أن مجال فيزياء الجسيمات بأكمله يسير في اتجاه الذكاء الاصطناعي - بمستوى لن يهتم أحد بالإشارة إلى أنه مدعوم بالتعلم الآلي، لأنه سيكون واضحًا بذاته - وهو جزء من صندوق الأدوات، " يقول البروفيسور جروس. "لم نصل إلى ذلك المكان بعد، ولكن عندما نصل إلى هناك - وقريبا - سيغير المجال وجهه، وستكون ثورة في علم تحليل البيانات في فيزياء الطاقة العالية."
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
