中國科學(xué)院高能物理研究所阮曼奇團(tuán)隊(duì)、北京大學(xué)周辰團(tuán)隊(duì)和歐洲核子研究中心曲慧麟研究員，近日提出了一種噴注本源鑒別技術(shù)。這一技術(shù)可大幅提升高能對撞機(jī)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)能力。該成果于2024年5月31日在國際權(quán)威期刊《物理評論快報(bào)》上發(fā)表（Phys. Rev. Lett. 132.221802 (2024)），被審稿人評價(jià)為“世界頂級的鑒別性能”，“改變了游戲規(guī)則”，“開創(chuàng)了未來對撞機(jī)實(shí)驗(yàn)上精確測量的新視野”。
夸克和膠子是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本粒子，與電子或光子不同，夸克和膠子不能在時(shí)空中自由運(yùn)動，只能被束縛在如質(zhì)子或中子這樣的復(fù)合粒子中。對撞機(jī)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的高能夸克或膠子會通過復(fù)雜的相互作用轉(zhuǎn)化為大量的末態(tài)粒子，后者將沿著原夸克或膠子的運(yùn)動方向在較小的角度內(nèi)噴射而出，這一現(xiàn)象被稱為噴注。噴注在高能對撞實(shí)驗(yàn)中可大量產(chǎn)生，準(zhǔn)確鑒別噴注的本源、即噴注來源于何種夸克或膠子，對于發(fā)掘和理解對撞機(jī)事例背后的物理規(guī)律極為重要。另一方面，產(chǎn)生自不同夸克和膠子的噴注在構(gòu)型上極為相似，準(zhǔn)確鑒別噴注本源的難度非常高。
結(jié)合原創(chuàng)的高性能粒子流重建算法Arbor以及先進(jìn)的人工智能技術(shù)ParticleNet，本項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種高效的噴注本源識別技術(shù)。該技術(shù)通過捕捉不同種類噴注之間的微小差異，可同時(shí)高效區(qū)分由五種夸克（上、下、奇異、粲、底）、五種反夸克，以及膠子產(chǎn)生的十一種不同噴注。這一技術(shù)可以幫助科學(xué)家準(zhǔn)確測量不同粒子同夸克以及膠子之間的相互作用，并捕捉某些極其微弱的希格斯粒子衰變信號。該技術(shù)可以把未來對撞機(jī)上關(guān)鍵物理測量的精確程度提升一個(gè)數(shù)量級，大幅擴(kuò)展了大科學(xué)裝置的科學(xué)發(fā)現(xiàn)能力。
本技術(shù)不僅為科學(xué)家們在未來對撞機(jī)上的科學(xué)探索提供了強(qiáng)有力的全新工具，也證明了噴注產(chǎn)生過程內(nèi)所蘊(yùn)含的復(fù)雜信息可以被先進(jìn)的人工智能算法理解并利用。在未來，科研團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步研究人工智能技術(shù)在更廣泛、更深層的科學(xué)問題上的應(yīng)用。
圖一：環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)（CEPC）中模擬的雙噴注事例示意圖
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DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.221802
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