Расследование давней тайны нейтрино

Нейтрино — один из самых загадочных членов Стандартной модели, основы для описания фундаментальных сил и частиц в природе. Хотя они являются одними из самых распространенных известных частиц во Вселенной, они очень редко взаимодействуют с веществом, что делает их обнаружение сложной экспериментальной задачей.

На этом изображении шириной примерно 70 сантиметров изображено событие электронного нейтрино MicroBooNE с электронным ливнем (прямая линия и точки внизу слева направо) и треком протона (короткая красная линия внизу слева). Исследователи Массачусетского технологического института использовали эксперимент MicroBooNE в Фермилабе, чтобы раскрыть новые секреты нейтрино. Предоставлено: MicroBooNE Collaboration.

Одна из давних загадок нейтринной физики связана с экспериментом Mini Booster Neutrino Experiment (MiniBooNE), который проводился с 2002 по 2017 год в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Fermilab) в Иллинойсе. MiniBooNE наблюдал значительно больше нейтринных взаимодействий, которые производят электроны, чем можно было бы ожидать, учитывая наши самые лучшие знания Стандартной модели — и физики пытаются понять, почему.

В 2007 году исследователи разработали идею последующего эксперимента MicroBooNE, сбор данных в котором недавно завершился в Fermilab. MicroBooNE — это идеальный тест на избыток MiniBooNE благодаря использованию в нем новой детекторной технологии, известной как временная проекционная камера с жидким аргоном (LArTPC), которая дает изображения с высоким разрешением частиц, которые образуются при взаимодействии нейтрино.

Аспиранты-физики Николас Камп и Лорен Йейтс, а также профессор Джанет Конрад, все из Лаборатории ядерных наук Массачусетского технологического института, сыграли ведущую роль в основанном на глубоком обучении поиске избытка нейтрино в пучке нейтрино ускорителя Fermilab. В этом интервью Камп обсуждает будущее аномалии MiniBooNE в контексте последних результатов MicroBooNE.

Вопрос: Почему аномалия MiniBooNE имеет большое значение?

А: Один из больших открытых вопросов в физике нейтрино касается возможного существования гипотетической частицы, называемой «стерильным нейтрино». Найти новую частицу было бы очень сложно, потому что это может дать нам ключ к разгадке более широкой теории, объясняющей множество частиц, которые мы видим. Наиболее распространенное объяснение избытка MiniBooNE связано с добавлением такого стерильного нейтрино в Стандартную модель. Из-за эффектов осцилляций нейтрино это стерильное нейтрино проявится как усиление электронных нейтрино в MiniBooNE.

Есть много дополнительных аномалий, наблюдаемых в физике нейтрино, которые указывают на то, что эта частица может существовать. Однако объяснить эти аномалии вместе с MiniBooNE одним стерильным нейтрино сложно — полная картина не совсем подходит. Наша группа в Массачусетском технологическом институте интересуется новыми физическими моделями, которые потенциально могут объяснить эту полную картину.

Вопрос: Как мы сейчас понимаем избыток MiniBooNE?

А: В последнее время наше понимание значительно улучшилось благодаря достижениям как в экспериментальной, так и в теоретической областях.

Наша группа работала с физиками из Гарвардского, Колумбийского и Кембриджского университетов, чтобы исследовать новые источники фотонов, которые могут появиться в теоретической модели, которая также имеет 20-процентную электронную подпись. Мы разработали «смешанную модель», которая включает два типа экзотических нейтрино: один превращается в электронный аромат, а другой распадается на фотон.

Что касается экспериментальной части, более свежие результаты MicroBooNE, включая анализ на основе глубокого обучения, в котором наша группа из Массачусетского технологического института сыграла важную роль, не обнаружили избытка нейтрино, которые производят электроны в детекторе MicroBooNE. Принимая во внимание уровень, на котором MicroBooNE может проводить измерения, это говорит о том, что избыток MiniBooNE не может быть полностью отнесен на счет дополнительных взаимодействий нейтрино. Если это не электроны, то это должны быть фотоны, потому что это единственная частица, которая может создавать подобную сигнатуру в MiniBooNE. Но мы уверены, что это не фотоны, производимые взаимодействиями, о которых мы знаем, потому что они ограничены низким уровнем. Значит, они должны быть результатом чего-то нового, например, экзотического распада нейтрино в смешанной модели. Затем MicroBooNE работает над поиском, который может изолировать и идентифицировать эти дополнительные фотоны. Будьте на связи!

Вопрос: Вы упомянули, что ваша группа занимается анализом MicroBooNE на основе глубокого обучения. Зачем использовать глубокое обучение в физике нейтрино?

А: Когда люди смотрят на изображения кошек, они без особого труда могут определить разницу между видами. Точно так же, когда физики смотрят на изображения, исходящие от LArTPC, они могут без особого труда определить разницу между частицами, образующимися в нейтринных взаимодействиях. Однако из-за нюансов различий обе задачи оказываются сложными для обычных алгоритмов.

Массачусетский технологический институт — это воплощение идей глубокого обучения. Например, недавно он стал сайтом Института искусственного интеллекта и фундаментальных взаимодействий Национального научного фонда. Для нашей группы было разумно использовать обширный местный опыт в этой области. У нас также была возможность поработать с фантастическими группами в SLAC, Университете Тафтса, Колумбийском университете и IIT, каждая из которых обладает сильной базой знаний о связях между глубоким обучением и физикой нейтрино.

Одной из ключевых идей в глубоком обучении является идея «нейтральной сети», которая представляет собой алгоритм, который принимает решения (например, идентифицирует частицы в LArTPC) на основе предыдущего доступа к набору обучающих данных. Наша группа подготовила первую статью об идентификации частиц с использованием глубокого обучения в физике нейтрино, доказав, что это мощный метод. Это основная причина, по которой недавно опубликованные результаты анализа MicroBooNE, основанного на глубоком обучении, накладывают серьезные ограничения на интерпретацию избытка MiniBooNE с помощью электронных нейтрино.

В общем, очень удачно, что большая часть работы по этому анализу была сделана в среде, богатой искусственным интеллектом, в Массачусетском технологическом институте.