寻求新的物理学 科学家从社交网络借鉴

当两个质子发生碰撞时，它们释放出烟火喷射的粒子，其细节可以告诉科学家关于物理学的本质和控制宇宙的基本力量。

诸如大型强子对撞机之类的巨大粒子加速器可以通过以接近光速的速度将质子束粉碎在一起，每分钟产生数十亿次这样的碰撞。然后科学家们通过对这些碰撞的测量进行搜索，希望能够发现除了已建立的标准模型物理手册之外的奇怪，不可预测的行为。

现在，麻省理工学院的物理学家已经找到了一种方法来自动搜索奇怪的和潜在的新物理，并采用一种技术来确定碰撞事件对之间的相似程度。通过这种方式，他们可以估计质子束粉碎中数十万次碰撞之间的关系，并根据它们的相似程度创建事件的几何图。

研究人员表示，他们的新技术是第一个将大量粒子碰撞相互联系起来的技术，类似于社交网络。

“社交网络地图基于人与人之间的连通程度，例如，在你从一个朋友到另一个朋友之前需要多少邻居，”麻省理工学院物理学副教授Jesse Thaler说。“这是同样的想法。”

Thaler说，这种粒子碰撞的社交网络可以让研究人员感受到质子碰撞时发生的更多连接，因此更典型的事件。他们还可以在碰撞网络的郊区快速发现不同的事件，他们可以进一步研究潜在的新物理。他和他的合作者，研究生Patrick Komiske和Eric Metodiev在麻省理工学院理论物理中心和麻省理工学院核科学实验室进行了研究。他们本周在“物理评论快报”杂志上详述了他们的新技术。

无情地看到数据

Thaler的小组部分重点是开发分析来自大型强子对撞机和其他粒子对撞机设施的开放数据的技术，希望挖掘其他人可能最初错过的有趣物理。

“访问这些公共数据非常棒，”Thaler说。“但仔细研究这一大量数据以弄清楚发生了什么事情是令人畏惧的。”

物理学家通常会根据理论预测，通过对撞机数据查看他们认为感兴趣的特定模式或碰撞能量。这就是发现希格斯玻色子的情况，这是由标准模型预测的难以捉摸的基本粒子。粒子的性质在理论上被详细描述，但直到2012年才被观察到，当物理学家知道要寻找什么时，发现希格斯玻色子的签名隐藏在数万亿质子碰撞中。

但是，如果粒子表现出超出标准模型所预测的行为，物理学家没有理论可以预测呢?

Thaler，Komiske和Metodiev已经采用了一种新颖的方法来筛选对撞机数据，而无需提前知道要查找的内容。他们不是一次考虑单个碰撞事件，而是寻找将多个事件相互比较的方法，并认为可能通过确定哪些事件更典型，哪些更不常见，他们可能会选择具有潜在兴趣的异常值，意外行为。

“我们要做的就是不知道我们认为新的物理学是什么，”Metodiev说。“我们希望让数据说明一切。”

移动污垢

粒子碰撞器数据被数十亿质子碰撞堵塞，每个质子碰撞包括单独的粒子喷雾。团队意识到这些喷雾本质上是点云 - 点的集合，类似于表示计算机视觉中的场景和物体的点云。该领域的研究人员开发了一系列技术来比较点云，例如，使机器人能够准确识别环境中的物体和障碍物。

Metodiev和Komiske利用类似的技术比较粒子碰撞器数据中的碰撞对之间的点云。特别是，他们采用了现有算法，该算法旨在计算将一个点云转换为另一个点所需的最佳能量或“工作量”。该算法的关键在于一个被称为“地球移动者的距离”的抽象概念。

Thaler解释说：“你可以把能量沉积想象成泥土，你就是那些必须将污垢从一个地方移到另一个地方的地球搬运工。”“从一种配置到另一种配置所消耗的汗水量是我们计算距离的概念。”

换句话说，将一个点云重新排列成另一个点所需的能量越多，它们在相似性方面就越远。将这个想法应用于粒子对撞机数据，团队能够计算将给定点云转换为另一个，一次一对的最佳能量。对于每对，他们根据他们在两者之间计算的“距离”或相似度来分配一个数字。然后，他们将每个点云视为单点，并将这些点排列在各种社交网络中。

该团队已经能够利用他们的技术，从LHC提供的开放数据构建一个包含100,000对碰撞事件的社交网络。研究人员希望通过将碰撞数据集视为网络，科学家们可以快速标记给定网络边缘的潜在有趣事件。

“我们希望有一个Instagram页面，可以查看LHC在特定日期记录的所有最疯狂的事件或点云，”Komiske说。“这种技术是确定图像的理想方式。因为你只能找到离其他一切最远的东西。”

公开可用的典型碰撞器数据集通常包括数百万个事件，这些事件是从粒子加速器中任何给定时刻发生的数十亿次碰撞的原始混沌中预先选择的。Thaler表示，该团队正在研究如何扩大他们的技术以构建更大的网络，以潜在地可视化整个粒子碰撞数据集中的“形状”或一般关系。

在不久的将来，他设想在物理学家现在知道的历史数据上测试技术包含里程碑发现，例如1995年首次发现顶夸克，这是所有已知基本粒子中最大的。

“顶夸克是一个产生这些有趣的，三管齐下的辐射喷雾的物体，与一两个尖头的典型喷雾非常不同，”Thaler说。“如果我们能够重新发现这个档案数据中的顶夸克，使用这种技术不需要知道它正在寻找什么新物理，那将是非常令人兴奋的，并且可以让我们有信心将其应用于当前数据集，找到更奇特的物体。“

这项研究的部分资金来自美国能源部，西蒙斯基金会和麻省理工学院的情报探索部。