隐形的相机陷阱：科学家推出寻找暗物质的新工具

人工智能图像识别可能为研究人员提供一种寻找暗物质的新工具。

这听起来很不可思议，但对于在世界上最大的粒子对撞机工作的科学家来说，这是现实：

在法国和瑞士边境下约350英尺的地下隧道里，一个名为大型强子对撞机（Large Hadron Collider）的巨大装置让质子束以接近光速的速度相互撞击，产生微小的喷发，模仿大爆炸后立即存在的条件。

杜克大学物理学家Ashutosh Kotwal等科学家认为，这些碰撞产生的亚原子碎片可能包含宇宙“失踪物质”的线索。在人工智能的帮助下，Kotwal希望利用最近发表在《科学报告》杂志上的一种设计，在相机上捕捉到这些转瞬即逝的线索。

寻找暗物质

普通物质 —— 人类和行星的物质 —— 只是宇宙的一部分。Kotwal和其他人正在寻找暗物质，这是一种不可见的物质，其数量是我们能看到的物质的五倍，但其性质仍然是一个谜。

科学家们从它对恒星和星系的引力影响中知道它的存在，但除此之外，我们对它知之甚少。

大型强子对撞机可以改变这一点。在那里，研究人员正在使用探测器寻找暗物质和其他谜团，这些探测器就像巨大的3D数码相机一样，连续拍摄每次质子-质子碰撞产生的粒子喷雾。

只有普通粒子才能触发探测器的传感器。如果研究人员能够在大型强子对撞机上制造暗物质，科学家们认为有一种方法可以让人们注意到它，那就是它作为一种消失的行为：重带电粒子从碰撞点移动一定距离 —— 大约10英寸 —— 然后不留下痕迹地无形地衰变为暗物质粒子。

如果你回溯这些粒子的路径，它们会在穿过探测器内层的中途留下一个“消失的轨迹”。

但Kotwal说，为了发现这些难以捉摸的踪迹，他们需要迅速行动。

先进检测技术

这是因为大型强子对撞机的探测器每秒拍摄大约4000万张飞行粒子的快照。

这是太多的原始数据，不能保留所有内容，而且其中大部分都不是很有趣。Kotwal正在大海捞针。

Kotwal说：“这些照片中的大多数都没有我们正在寻找的特殊特征。也许百万分之一的人是我们想要拯救的。”

研究人员只有百万分之几秒的时间来确定某个特定的碰撞是否值得关注，并将其存储起来供以后分析。

Kotwal说：“要实时地、连续数月地做到这一点，需要一种图像识别技术，其运行速度至少要比粒子物理学家所能做到的任何技术快100倍。”

在粒子物理中实现AI

Kotwal认为他可能有解决办法。他一直在开发一种名为“轨迹触发”的东西，这是一种快速算法，能够在下一次碰撞发生之前，从同时测量的成千上万个其他数据点中，发现并标记这些转瞬即逝的轨迹。

他的设计是通过将分析每张图像的任务分配给大量同时运行的人工智能引擎来完成的，这些引擎直接构建在硅芯片上。该方法在不到250纳秒的时间内处理一张图像，自动剔除不感兴趣的图像。

Kotwal首先在2020年和2021年发表的两篇论文中描述了这种方法。在今年5月发表在《科学报告》上的一篇最新论文中，他和一组本科生共同作者表明，他的算法可以在硅芯片上运行。

Kotwal和他的学生计划在明年夏天之前制造出他们的设备的原型，尽管完整的设备 —— 将由大约2000个芯片组成 —— 可以安装在大型强子对撞机的探测器上还需要三到四年的时间。

随着加速器的性能不断提高，它将产生更多的粒子。Kotwal的设备可以帮助确保，如果暗物质隐藏在它们中间，科学家们不会错过它。

Kotwal说：“我们的工作是确保如果暗物质的产生正在发生，那么我们的技术就能在行动中捕捉到它。”

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