Алгоритмы «Яндекса» разглядели фундаментальную физическую аномалию в данных Большого адронного коллайдера

Что это за симметрия

Мы знаем (и даже считаем очевидным), что, если провести тот же самый физический эксперимент (сохранив всю изучаемую систему и, разумеется, корректно проводя измерения) в другой день в другом месте, результат не изменится.

Формально это можно обозначить как симметрию относительно переноса во времени или пространстве. Пространство и время симметричны относительно переносов, и эта фундаментальная симметрия определяет сохранение энергии во времени и импульса в пространстве. Раз ничего при переносе не меняется, то энергия с количеством движения сохраняются.

CP-симметрия, которая играет важную роль в физике элементарных частиц, описывает два других преобразования. C-симметрия предполагает, что все положительные и отрицательные заряды можно смело менять местами, — атом с положительным электроном и отрицательным ядром (это атом антиматерии) окажется столь же стабилен, как обычный. P-симметрия гласит, что объекты можно заменять на их зеркальные копии и те тоже окажутся идентичны оригинальным. Комбинация двух превращений, отражения и перемены заряда носит название CP-преобразования.

Поначалу физики думали, что мир симметричен относительно одновременной перемены зарядов и направлений, в котором движутся частицы.

Однако в 1956 году физик Цзяньсюн Ву и ее коллеги показали, что P-симметрия, или чётность, все же может нарушаться в событиях с участием слабого взаимодействия (так называют силы, которые действуют на очень малом расстоянии и связаны с превращением кварков). Это нарушение проявляется в том, что в случаях, предполагающих подобную симметрию, равновероятные события с участием некоторых частиц оказываются вовсе не равновероятны: один из вариантов оказывается предпочтительнее другого. Такое нарушение посягало на фундаментальные принципы Вселенной. 

Но уже через восемь лет двое других исследователей, Джеймс Кронин и Вэл Фитч, обнаружили нарушение этого принципа, сталкивая разогнанные протоны с бериллиевой мишенью.

Детектор, использовавшийся на ускорителе PEP-2 в Стэнфордской ускорительной лабораторииSlaclab/ Flickr / CC BY-NC-SA 2.0

А еще через сорок лет СР-асимметрию обнаружили на ускорителе PEP-2 в Калифорнии, где сталкивали пучки электронов и их античастиц, позитронов. При этом столкновении появлялось множество разных частиц, и ученые нашли асимметрию в реакциях с участием других частиц, B-мезонов (а первоначально нарушителями были К-мезоны, каоны). И B-мезоны, и К-мезоны — это короткоживущие составные образования из пары «кварк–антикварк», причем один кварк во всех случаях был s- или b-кварком. С кварками другого типа CP-нарушений никто не видел.

Кварки бывают шести типов, причем только два входят в состав протонов и нейтронов (u, верхний, и d, нижний). Остальные кварки: c, s, b и t — существуют в короткоживущих частицах. У каждого кварка может быть свой антикварк

Подводя итоги опытам, проведенным в середине прошлого столетия, можно сказать, что физики нашли процессы, в которых часть законов сохранения иногда нарушается. Это было странно, потому что ослабляло нерушимость законов сохранения в микромире, а вдобавок ставило вопрос о том, почему Вселенная не совсем симметрична относительно CP-преобразований.

Последний вопрос уже не просто затрагивает какие-то экзотические процессы с участием короткоживущих частиц, встречающихся исключительно в коллайдерах: CP-преобразование, если бы мы могли произвольно применить его к какому-то предмету, сделало бы точно такой же объект из антиматерии. В CP-симметричной Вселенной было бы поровну антивещества и вещества. Но вот только антивещество и вещество при взаимном контакте аннигилируют, превращаются в излучение, так что в симметричной Вселенной Большой взрыв быстро бы «сократился» сам на себя, после чего в мире остались бы преимущественно фотоны.

Будь Вселенная CP-симметрична, ни звезд, ни планет, ни людей в ней бы существовать не могло. Но она почти симметрична, и это «почти» как раз дало возможность появиться той Вселенной, которую мы наблюдаем.

Кроме того, подобное отклонение от симметрии затрагивает только процессы с участием слабых сил. Электромагнетизм и сильное взаимодействие, которое склеивает кварки в частицы и удерживает протоны с нейтронами в ядре, CP-нарушениям не подвержено. Почему так происходит, ученые пока не знают, хотя и выдвинули ряд гипотез, которые уже на протяжении многих десятилетий регулярно пытаются проверить опытным путем.

Теперь же ЦЕРН впервые нашел отклонения от CP-симметрии при распаде D0-мезона. Он состоит из c-кварка и u-кварка, и в нем нет ни s-, ни b-кварка, которые входили в состав всех прошлых «нарушителей».

Это крайне важно: случаев нарушения CP-симметрии нам было известно только два, а составление полного их перечня позволит, возможно, нащупать в этих «нарушениях» какую-то систему и вместо ряда аномалий получить новый закон. А ведь новыми законами физика уже давно не пополнялась.

Давайте еще раз, кратко: в прошлом веке физики научились описывать мир на фундаментальном уровне, в этом описании ключевую роль играла симметрия того или иного рода, но в абсолютно симметричной Вселенной нас бы не было! Почему Вселенная не абсолютно симметрична, почему в ней обычной материи больше, чем антиматерии, и как эти нарушения симметрии проявляют себя сейчас — вопросы, на которые ищут ответ по меньшей мере с шестидесятых годов. Если физики найдут различия в распадах частицы и античастицы, нарушающих симметрию, это позволит им наконец двигаться дальше.

Но у этого события есть и второй слой: важно не только то, что нашли физики, но и то, как именно они это сделали.

Как распознать аномалию

Открытие было сделано на одном из детекторов Большого адронного коллайдера — LHCb. Каждый детектор (всего их четыре, если не брать в расчет малые установки) построен вокруг тех участков коллайдера, где пучки разогнанных до околосветовой скорости протонов пересекаются друг с другом и частицы могут сталкиваться между собой. При столкновении двух протонов образуется множество других частиц, которые разлетаются в разных направлениях и проходят через несколько слоев детектора. Он позволяет идентифицировать эти частицы, определив их траекторию, заряд и энергию.

Один большой детектор (кстати, «большой» — это с пятиэтажный дом) выдает ежесекундно десятки миллионов сигналов. Это очень много данных, поэтому автоматика отсеивает все заведомо малоинтересное. И здесь, как отметил в разговоре с «Чердаком» руководитель лаборатории методов анализа больших данных НИУ ВШЭ и совместных проектов «Яндекс»—ЦЕРН Андрей Устюжанин, физика элементарных частиц встречается с алгоритмами, программированием и нейронными сетями.

Сегодня изучать фундаментальные законы без продвинутых компьютерных методов стало просто невозможно. Так вот, коллаборации LHCb с этими методами помогал российский «Яндекс».

Коллаборация LHCb на фоне детектора LHCbMaximilien Brice; Rachel Barbier / CERN

«Коллайдер работал с 2011 по 2018 год с перерывами на зиму и на модернизацию в 2013—2014 годах. Это в сумме несколько лет работы, хотя физики предпочитают говорить не о времени, а об интегральной светимости — это, грубо говоря, то, сколько мы соскребли энергии со стенок детектора. Чем больше [соскребли], тем больше всего мы видим и светимость коллайдера. Число столкновений росло со временем, так что один год работы не равноценен другому», — говорит Устюжанин. И добавляет, что система анализа данных построена на двух разных уровнях: «Сначала данные с детекторов поступают к электронике, которая расположена там же, в тех же подземных помещениях. Там нужно работать очень быстро, почти в реальном времени. Нужно понять, что за частица пролетела, оставив след в детекторе, а потом проанализировать совокупность следов».

Устюжанин сравнивает последнюю задачу с той областью, в которой на сегодня искусственные нейросети достигли заметных успехов, — распознавание образов: «Мы можем отличить грузовик от самолета, собрав ключевые части изображения и поняв, что грузовики такими бывают, а самолеты — нет. Наш подход очень похож, но должен работать с огромной скоростью, для чего приходится прикладывать огромные усилия. Ранее наша группа разработала ускоренный алгоритм фильтрации на основе пакета МатриксНет "Яндекса", который оказался точнее существующих алгоритмов в среднем на 40%», — объясняет ученый. Нейросети хорошо разделяют объекты по классам, поэтому поиск, скажем, характерных реакций с участием той или иной частицы принципиально не отличается от поиска лиц на фотографии.

Типичное событие на LHCb. При столкновении протонов возник пучок частиц, которые пролетели через детектор, определивший их тип и энергиюLHCb Experiment

Устюжанин также отмечает, что первичный анализ в режиме реального времени оставляет из десятка миллионов сигналов в секунду лишь сотни тысяч, но для прицельного поиска каких-то редких событий и этого слишком много: «Сначала из десятков миллионов событий по простым алгоритмам — скажем, отобрать только то, что засветило больше какого-то числа пикселей детектора, — отбираются сотни тысяч, и это ежесекундно. Далее из данных выбирается что-то по более сложным правилам. Они уменьшают число событий еще на порядок, оставляя около десяти тысяч в секунду. И вот это уже можно использовать для следующего уровня, когда ученые работают с ранее сделанными архивными записями; там применяются иные методы со своей спецификой».

И лишь на поиске закономерностей в данных работа не заканчивается — нужно аккуратно оценить погрешность проведенных измерений, которая складывается из всех этапов обработки и фильтрации данных, учесть то, как другие распады и комбинаторный шум влияют на наблюдаемые события. Для решения этих задач искусственный интеллект адаптировать будет крайне непросто. Но и в этом направлении ученые уже активно работают.

*** 

Для находки, подобной сегодняшней, в одной точке теперь должны встречаться «железо», «софт» и теоретическая физика. Причем «железо» подразумевает не только электронные платы, но и практически все, с чем вообще ассоциируется инженерное дело. Работа коллайдера невозможна без горнопроходческих комбайнов (проложить тоннель по идеальной окружности), тяжелого машиностроения (отдельные компоненты детекторов весят сотни тонн), мощных электрических цепей (из-за высокого энергопотребления коллайдер включают летом, когда электричество дешевле), высококачественных кристаллов и наконец той же микроэлектроники. Для обработки сигналов на лету и анализа собранных данных применяются методы, которые лишь недавно пошли в дело — искусственные нейросети и машинное обучение, которые исследователи должны оптимизировать до предела, потому что детекторы даже после фильтрации дают слишко много информации.

Конечно, не стоит думать, что обнаружение третьего типа нарушения СР-симметрии немедленно перевернет современную физику. Но, кажется, «надежды на странное», так долго мучившие ученых, которые никак не могут вырваться за пределы Стандартной модели на оперативный простор, начинают сбываться — теперь им снова нужно пытаться «узаконить» атипичное поведение фундаментальных кирпичиков мироздания.