中國科學院高能物理研究所阮曼奇團隊、北京大學周辰團隊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。這一技術可大幅提升高能對撞機實驗的科學發(fā)現(xiàn)能力。該成果于2024年5月31日在國際權威期刊《物理評論快報》上發(fā)表（Phys. Rev. Lett. 132.221802 (2024)），被審稿人評價為“世界頂級的鑒別性能”，“改變了游戲規(guī)則”，“開創(chuàng)了未來對撞機實驗上精確測量的新視野”。
夸克和膠子是粒子物理標準模型中的基本粒子，與電子或光子不同，夸克和膠子不能在時空中自由運動，只能被束縛在如質子或中子這樣的復合粒子中。對撞機實驗中產(chǎn)生的高能夸克或膠子會通過復雜的相互作用轉化為大量的末態(tài)粒子，后者將沿著原夸克或膠子的運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。噴注在高能對撞實驗中可大量產(chǎn)生，準確鑒別噴注的本源、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型上極為相似，準確鑒別噴注本源的難度非常高。
結合原創(chuàng)的高性能粒子流重建算法Arbor以及先進的人工智能技術ParticleNet，本項目研究團隊開發(fā)了一種高效的噴注本源識別技術。該技術通過捕捉不同種類噴注之間的微小差異，可同時高效區(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。這一技術可以幫助科學家準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。該技術可以把未來對撞機上關鍵物理測量的精確程度提升一個數(shù)量級，大幅擴展了大科學裝置的科學發(fā)現(xiàn)能力。
本技術不僅為科學家們在未來對撞機上的科學探索提供了強有力的全新工具，也證明了噴注產(chǎn)生過程內(nèi)所蘊含的復雜信息可以被先進的人工智能算法理解并利用。在未來，科研團隊計劃進一步研究人工智能技術在更廣泛、更深層的科學問題上的應用。
圖一：環(huán)形正負電子對撞機（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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