Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.981 RSS
←   Декабрь 2006   →
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
11.12.2006
10:09:01
16:51:04
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.981 подписчиков
+9 за неделю
←   Все выпуски   →

Умные алгоритмы помогли совершить открытие в физике элементарных частиц


Публичные лекции фонда «Династия» на «Элементах»

Лауреат Нобелевской премии по физике 2004 года Дэвид Гросс. «Грядущие революции в фундаментальной физике».

Академик Владимир Игоревич Арнольд. «Сложность конечных последовательностей нулей и единиц и геометрия конечных функциональных пространств» (лекция опубликована в двух вариантах — популярном и математическом).

Дэвид Гросс: «Держу пари, что суперсимметрия будет открыта». Эксклюзивное интервью «Элементам».

Умные алгоритмы помогли совершить открытие в физике элементарных частиц

18.12.2006

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 это 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

Эта новость на «Элементах»
 

Предыдущие новости

18.12 Найден самый древний летун из класса млекопитающих

Китайские палеонтологи вновь порадовали мир удивительной находкой. На этот раз им посчастливилось обнаружить великолепно сохранившиеся остатки древнейшего млекопитающего, способного к планирующему полету. Эта находка показала, что способность летать появилась у млекопитающих на 70 млн лет раньше, чем считалось, — уже на начальных этапах их эволюции.

15.12 Чтобы никогда не чувствовать боли, человеку достаточно отключить один ген

Обнаружен ген, отключение которого у мышей приводит к смерти, а у человека — к полной потере болевой чувствительности. Этот ген кодирует белок, участвующий в транспорте ионов натрия через мембраны нейронов, отвечающих за болевые ощущения. Открытие дает возможность фармакологам разработать новые высокоэффективные анальгетики.

15.12 В древнем янтаре найдены микроорганизмы, жившие 220 миллионов лет назад

В окаменевших капельках смолы хвойных деревьев, росших 220 миллионов лет назад на территории южных Альп, обнаружены прекрасно сохранившиеся микроорганизмы, многие из которых очень близки к современным родам и даже видам. Открытие показывает, что сообщество обитателей крошечных капель воды на коре деревьев практически не изменилось со времен первых динозавров.

13.12 Разгадана тайна быстрого звука в воде

Эксперименты итальянских физиков позволили наконец-то дать окончательное объяснение явлению быстрого звука в воде. Из двух существующих сегодня теорий — вискоэластичной и двухкомпонентной — эти эксперименты подтвердили первую и опровергли вторую.

13.12 В «неслабом мире» жизнь тоже возможна

Американские физики рассмотрели модель эволюции вселенной, которая похожа на нашу во всех отношениях, кроме одного — в ней нет слабого взаимодействия. Оказывается, что и в таком «обедненном» мире возможен первичный нуклеосинтез, приводящий к рождению водорода и гелия в «нашей» пропорции. В «неслабой» вселенной теоретически возможно даже возникновение жизни.

12.12 Открыт новый механизм регуляции работы генов у бактерий

Американские биологи расшифровали механизм, при помощи которого кишечная палочка приостанавливает работу своих генов при недостатке ресурсов и снова включает их, когда условия улучшаются. Данная регуляторная система, основанная на конкуренции между ДНК и РНК за контроль над ферментом РНК-полимеразой, возможно, является одним из отголосков эпохи РНК-мира.

12.12 Черную дыру поймали с поличным

Группе астрономов, работающих на новом ультрафиолетовом телескопе GALEX, запущенном 28 апреля 2003 года, удалось с самого начала наблюдать процесс поглощения звезды черной дырой в одной из отдаленных галактик в созвездии Волопаса. Наблюдение продолжается, поскольку «трапеза» черной дыры еще не закончена.

11.12 Найден самый древний из ферментов

Изучив структуру фермента РНК-зависимой РНК-полимеразы, размножающей короткие молекулы РНК у гриба Neurospora crassa, британские и финские биологи пришли к выводу, что этот белок, способный размножать молекулы РНК без участия ДНК, представляет собой реликт эпохи РНК-мира. На его древность указывают результаты сравнения с другими изученными РНК-полимеразами.

11.12 Экзотический магнетизм в диоксиде нептуния получил объяснение

Происхождение магнетизма в диоксиде нептуния долгое время оставалось загадкой. Недавние вычисления показали, что он возникает, скорее всего, из-за магнитного триаконтадипольного взаимодействия, примеров которого физика еще не знала.
В избранное