סיקור מקיף

מסלול התנגשות חדש ב-CERN

על המפגש בין פיסיקת חלקיקים ובינה מלאכותית

הדמיה של ההתנגשות כפי שיכלה להיות לו היה הגלאי מדויק יותר (בתמונה העליונה), מאפשרת ללמד את המחשב לנתח באופן מדויק ויעיל יותר את ההתנגשות (בתמונה התחתונה). הקווים האדומים מציינים את מסלול החלקיקים לאחר ההתנגשות
הדמיה של ההתנגשות כפי שיכלה להיות לו היה הגלאי מדויק יותר (בתמונה העליונה), מאפשרת ללמד את המחשב לנתח באופן מדויק ויעיל יותר את ההתנגשות (בתמונה התחתונה). הקווים האדומים מציינים את מסלול החלקיקים לאחר ההתנגשות

"אנחנו מסתכלים על משהו, שאפשר להקבילו לשרידים של מטוס שהתרסק, ומנסים לשחזר את צבע המכנסיים של הנוסע בכיסא A17", אומר יונתן שלומי, תלמיד מחקר לתואר שלישי בקבוצתו של פרופ' עילם גרוס ממכון ויצמן למדע. רק שה"מטוס" שאליו מתייחס שלומי הוא מאיץ החלקיקים LHC במרכז המחקר סרן (CERN) וההתרסקות היא למעשה התנגשות חלקיקים.

מאיץ החלקיקים בסרן אינו זר לפרופ' גרוס. בין השנים 2013-2011 הוא עמד בראש הקבוצה שהייתה אחראית על חיפוש הבוזון היגס בגלאי ATLAS, אחת משתי הקבוצות שהכריזו על גילוי החלקיק ביולי 2012. גילוי החלקיק, המכונה "החלקיק האלוהי", סימן פתרון חידה פיסיקלית בת עשרות שנים – כיצד מקבלים חלקיקים מאסה? על-פי המודל שניבא פיטר היגס בשנות ה-60, חלקיק זה הוא שאחראי למנגנון. אבל עד 2012 נשאר החלקיק בתחום המודל התיאורטי, למרות הניסיונות המרובים לאתר אותו. כאמור, נגד כל הסיכויים – התגלה החלקיק. חידת המאסה נפתרה, וב-2014 חזר פרופ' גרוס משווייץ. אבל מה נותר עוד לעשות לאחר שלקחת חלק במאמץ לפתור את אחת החידות הגדולות בעולם הפיסיקה, והמאמץ הבשיל?

מימין: אנה איבינה, יונתן שלומי, נילוטפאל קקטי, פרופ' עילם גרוס, אנטון שרקין גורבולין, דמיטרי קוביליאנסקי וד"ר סנמאי גנגולי. ממקסמים רגישות. צילום: דוברות מכון ויצמן
מימין: אנה איבינה, יונתן שלומי, נילוטפאל קקטי, פרופ' עילם גרוס, אנטון שרקין גורבולין, דמיטרי קוביליאנסקי וד"ר סנמאי גנגולי. ממקסמים רגישות. צילום: דוברות מכון ויצמן

הדרך הברורה להתקדם בפיסיקת חלקיקים היא לגלות היבט חדש שלא היה ידוע קודם לכן – גילויו של חלקיק חדש, למשל. לאחר גילוי החלקיק האלוהי, התרכזו המאמצים בסרן בניסיון להוכיח מודלים תיאורטיים אחרים, כמו סופר-סימטריה – שעל-פיו לכל בוזון יש שותף-על פרמיוני. אבל כיוון שמאמצים אלה לא נשאו פרי, התבהר לפרופ' גרוס שהגיעה העת לצעוד בנתיב אחר: דיוק ושיפור אמצעי ניתוח הנתונים, במטרה לשפר את מיצוי הנתונים הקיימים ואת יעילות החיפושים של חלקיקים חדשים במאיצים נוכחיים ועתידיים. לצורך כך הוא הקים קבוצת מחקר חדשה במכון, אשר שואפת לפתור בעיות בפיסיקת חלקיקים באמצעות למידת מכונה. שלומי היה הסטודנט הראשון שהצטרף לקבוצה, והמשימה שלקח על עצמו הייתה שיפור ניתוח הנתונים של גלאי ATLAS, המכיל כ-100 מיליון רכיבים.

כאשר חלקיקים מתנגשים בתוך גלאי ATLAS, הרכיבים שממנו הוא מורכב קולטים מדידות אנרגיה שעל המדענים לפענח. בשילוב עם העובדה שישנן מיליארד התנגשויות חלקיקים בכל שנייה שבה מאיץ החלקיקים פועל, עולה בעצם בעיה שיש לתקוף משני כיוונים שונים: מצד אחד, כמות הנתונים לא מאפשרת, מן הסתם, פענוח ידני; ומצד שני, כיוון שמדובר באירועים מהירים המתרחשים בקנה-מידה מיקרוסקופי, כמות הרכיבים בגלאי – גדולה ככל שתהיה – עדיין לא מסוגלת לקלוט באופן מספק את כל ההתרחשויות ברמת דיוק גבוהה.

המשימה הראשונה שבחרו חברי קבוצת המחקר הייתה לשפר את היכולת להבחין בין סוגים שונים של קווארקים – חלקיקי יסוד המתקבלים כתוצאה מהתנגשות חלקיקים. ישנם שישה סוגים של קווארקים ולכל סוג יש מאסה אחרת – מה שקובע את הסיכוי שחלקיק היגס יתפרק דווקא לסוג הקווארק המסוים כתוצאה מהתנגשות. כך למשל, ההסתברות לחזות בהיגס מתפרק לקווארק מסוג תחתון גבוהה מאוד – שכן כמות המאסה שלו גבוהה – בעוד "קווארק למעלה" ו"קווארק למטה" קלים כל-כך, עד שלא ניתן למדוד אותם. אך יש קווארק אחד – קווארק קסום  – שאינו כבד מדי ואינו קל מדי, ולכן זהו אתגר רציני לזהות אותו ולהבדיל בינו ובין קווארק תחתון.

לצורך כך, פיתחה קבוצת המחקר אלגוריתם של זרימת חלקיקים (particle flow), הבוחן את דפוס התנועה ופיזור האנרגיה שלהם במרחב ובזמן. באמצעות הזנת מיליארדי דוגמאות לסימולציות של התנגשות חלקיקים, הצליחו המדענים להראות שאפשר ללמד את המחשב לזהות ולנתח את הנתונים. "אין לנו את האמצעים לבנות גלאים מדויקים יותר", אומר פרופ' גרוס, "אבל כיוון שאנחנו מבינים את הפיסיקה שעומדת מאחורי ההתנגשויות, אפשר לייצר הדמיות של התנגשות חלקיקים ברזולוציה גבוהה כדי לשאול: איך היה מגיב הגלאי אם היו לו יותר רכיבים ולכן גם יכולת למדוד את ההתנגשויות באופן מדויק יותר?"

כעת, משהצליחו פרופ' גרוס וחברי קבוצתו להראות את היתכנותו של האלגוריתם שפיתחו, השלב הבא יהיה בחינתו בקנה-מידה גדול יותר. "כרגע ההבנה היא שכדי לחלץ ערך מדעי מהמדידות שעושים ב-LHC, הרגישות שלנו חייבת להיות גבוהה ככל האפשר", אומר שלומי. "סימולציות מדויקות הן הכלי שבעזרתו נוכל למקסם את הרגישות".

"אני חושב שכל התחום של פיסיקת חלקיקים הולך לכיוון של בינה מלאכותית – ברמה שאיש לא יטרח לציין שהוא נעזר בלמידת מכונה, כי זה יהיה מובן מאליו – חלק מארגז הכלים", אומר פרופ' גרוס. "אנחנו עדיין לא במקום הזה, אבל כשנגיע לשם – ובקרוב – התחום ישנה את פניו, וזו תהיה מהפכה במדע של ניתוח הנתונים בפיסיקה של אנרגיות גבוהות".

עוד בנושא באתר הידען:

דילוג לתוכן