机器学习助力CERN破解希格斯玻色子最难衰变之谜

信息来源：
https://scitechdaily.com/cern-deploys-cutting-edge-ai-in-impossible-hunt-for-higgs-decay/

在粒子物理学的前沿阵地，欧洲核子研究中心的科学家们正在运用人工智能技术攻克一个被认为几乎不可能的挑战：直接观测希格斯玻色子衰变为粲夸克的过程。这一突破性研究不仅将机器学习推向了高能物理实验的核心地位，更为验证标准模型中最基础的质量生成机制开辟了新的道路。

CMS合作组在最近的欧洲核子研究中心研讨会上首次公布了这项开创性工作的成果。通过结合图神经网络和变换器网络等先进AI技术，研究团队成功将希格斯玻色子与粲夸克相互作用的约束精度提高了35%，达到迄今为止最严格的限制。这一成就标志着粒子物理学实验方法的重大转变，从传统的统计分析向AI驱动的复杂模式识别迈进。

质量之源的未解之谜

希格斯玻色子赋予粒子质量，但它与较轻夸克的联系在很大程度上仍未得到验证。CMS 现已开始在顶夸克对产生的罕见事件中搜寻希格斯玻色子衰变为粲夸克的过程，并利用先进的机器学习技术梳理出微妙的喷流特征。这项分析设定了迄今为止对希格斯玻色子-粲夸克相互作用的极限，进一步缩小了标准模型所能隐藏的范围。图片来源：Shutterstock

希格斯玻色子自2012年在大型强子对撞机上被发现以来，其作为质量赋予机制的核心地位已经确立。然而，这一"上帝粒子"与不同夸克家族的相互作用强度验证却呈现出极不均衡的进展。科学家们已经成功证实了希格斯玻色子与第三代夸克——顶夸克和底夸克——的相互作用，其结果与标准模型预测高度一致。

但是，希格斯玻色子如何与构成日常物质的轻夸克相互作用，这一根本问题在很大程度上仍是未知领域。第二代夸克中的粲夸克以及第一代夸克中的上夸克和下夸克，它们与希格斯场的耦合强度远未得到实验验证。这种知识缺口不仅限制了人类对质量生成机制的完整理解，也为标准模型的全面检验留下了关键空白。

问题的根源在于这些相互作用在实验中极难观测。希格斯玻色子衰变为粲夸克对的概率仅为约3%，远低于其衰变为底夸克对的58%概率。更困难的是，在大型强子对撞机的高能环境中，粲夸克几乎瞬间强子化形成粒子喷流，这些喷流的特征与其他夸克产生的喷流极其相似，传统的实验技术难以有效区分。

欧洲核子研究中心研究员塞巴斯蒂安·伍赫特尔指出："这项搜索需要分析技术的范式转变。由于粲夸克比底夸克更难标记，我们必须依靠尖端的机器学习技术将信号从巨大的背景噪声中分离出来。"这种技术挑战的复杂性解释了为什么这一研究方向长期被认为不可行。

AI技术的突破性应用

CMS 洞穴，探测器 EndCap 处于打开状态。图片来源：CERN

CMS团队的成功关键在于巧妙地将两种不同的深度学习架构应用于实验数据分析的不同阶段。在粲喷流识别环节，研究人员开发了专门的图神经网络，这种网络结构特别适合处理粒子喷流这种具有复杂内部结构和相互关系的数据。

图神经网络通过将粒子喷流建模为图结构，其中每个粒子作为节点，粒子间的物理关联作为边，能够捕捉传统方法无法识别的复杂模式。研究团队使用数亿个模拟喷流对这一网络进行训练，使其能够以前所未有的精度区分粲夸克喷流与其他类型的喷流。

在信号与背景分离方面，团队采用了变换器网络架构——这与ChatGPT等大型语言模型使用的基础技术相同。然而，在这一应用中，变换器网络被重新调整用于识别粒子碰撞事件的模式，而非生成文本。这种跨领域的技术迁移体现了现代AI方法的通用性和强大适应能力。

根特大学博士后研究员扬·范德林登表示："我们的方法代表了实验技术的重要飞跃。通过将最先进的机器学习工具应用于粒子物理学，我们能够探测到以前被认为无法观测的微弱信号。"

这种多层次AI架构的应用不仅提高了检测精度，更重要的是为处理大型强子对撞机产生的海量复杂数据提供了新的范式。每秒钟，LHC产生数十亿次质子碰撞，其中蕴含的物理信息需要极其精密的算法才能提取。

实验设计的精密工程

希格斯玻色子衰变为粲夸克的搜寻面临多重实验挑战，需要在设计阶段就考虑到信号的稀有性和背景的复杂性。CMS团队选择专注于希格斯玻色子与顶夸克对共同产生的事件，这一选择基于精密的理论计算和实验可行性分析。

在这类事件中，顶夸克对的存在为希格斯玻色子的识别提供了重要的运动学标签，有助于从海量的背景事件中筛选出潜在的信号。然而，即使在这种相对"干净"的环境中，真正的希格斯衰变为粲夸克事件仍然极其稀少。

实验数据来源于2016年至2018年大型强子对撞机第二轮运行期间收集的质子-质子碰撞数据，对应的积分亮度约为138逆飞巴。这一数据集包含了数万亿次质子碰撞的记录，为寻找罕见过程提供了充足的统计基础。

数据分析过程中，研究团队还整合了此前关于希格斯玻色子通过其他衰变道与粲夸克相互作用的研究结果。这种综合分析方法不仅提高了统计精度，也确保了结果的一致性和可靠性。通过严格的系统误差分析和多种验证方法，团队确认了其约束结果的稳健性。

标准模型检验的新前沿

这项研究的科学意义远超技术层面的突破。希格斯玻色子与不同代夸克的耦合强度直接反映了标准模型中质量生成机制的完整图景。如果实验结果与理论预测出现显著偏差，将可能指向超出标准模型的新物理现象。

当前的约束结果显示，希格斯玻色子与粲夸克的相互作用强度上限与标准模型预测基本一致，但仍有进一步收紧的空间。这种一致性为标准模型提供了重要支持，同时也为未来可能的新物理发现设定了基准。

更重要的是，这一研究方法的成功开启了探索希格斯玻色子与第一代夸克相互作用的可能性。如果技术进一步改进，未来或许能够直接观测希格斯玻色子如何赋予构成原子核的上夸克和下夸克以质量，从而完成对质量生成机制的全面验证。

随着大型强子对撞机即将开始的第三轮运行，预期将收集到更多的实验数据。结合不断改进的机器学习算法和数据分析技术，直接观测希格斯玻色子衰变为粲夸克这一"不可能任务"正在变得触手可及。

范德林登对未来充满期待："随着更多数据的积累和分析技术的持续改进，我们或许能够在不久的将来直接观测到希格斯玻色子与粲夸克的相互作用。这将为理解宇宙中质量的起源提供关键的最后一块拼图。"这一前景不仅代表着实验技术的胜利，更象征着人类对自然界最基本规律认识的重大进步。