ЦЕРН и искусственный интеллект: как физики охотятся за редким распадом бозона Хиггса

Бозон Хиггса, открытый в 2012 году на Большом адронном коллайдере, остаётся одной из главных загадок физики элементарных частиц. Именно он отвечает за то, что фундаментальные частицы приобретают массу. Взаимодействие бозона Хиггса с тяжёлыми кварками уже подтверждено экспериментально и соответствует предсказаниям Стандартной модели. Но то, как он взаимодействует с более лёгкими кварками, до сих пор оставалось почти неизученным. Особенно сложно исследовать связь Хиггса с очарованными кварками, которые относятся ко второму поколению и формируют переходное звено между тяжёлыми и лёгкими компонентами материи. От ответа на этот вопрос зависит понимание того, действительно ли бозон Хиггса одинаково формирует массу всех кварков, включая те, что составляют атомные ядра.

Физики коллаборации CMS впервые представили результат поиска распада бозона Хиггса на пару очарованных кварков в событиях, где Хиггс рождается вместе с парой топ-кварков. Такие процессы крайне редки, а их сигналы сложно отличить от фоновых столкновений, ведь очарованные кварки распадаются почти мгновенно, порождая узкие адронные струи — джеты. Отличить чар-джеты от джетов других кварков при помощи традиционных методов практически невозможно.

Для решения этой задачи CMS использовала новейшие методы искусственного интеллекта. Впервые в анализ данных эксперимента внедрили графовую нейронную сеть для распознавания джетов от очарованных кварков, а также сеть-трансформер, адаптированную к задаче классификации событий столкновений частиц. Для обучения алгоритмов применялись сотни миллионов смоделированных джетов, что позволило системе научиться выделять тонкие признаки чар-струй. В результате удалось добиться наивысшей точности на сегодняшний день.

Анализ данных, собранных с 2016 по 2018 год, в сочетании с предыдущими результатами других исследований, показал улучшение примерно на 35% по сравнению с прошлыми ограничениями. Это означает, что CMS установила самые строгие в истории пределы на силу взаимодействия бозона Хиггса с очарованными кварками. Такие результаты существенно сужают возможности для новых физических теорий за пределами Стандартной модели.

Дальнейшие шаги связаны с запуском новых серий экспериментов на БАК, где планируется собрать гораздо больший объём данных. Усовершенствованные методы анализа и улучшенные алгоритмы идентификации чар-джетов могут привести к прямому наблюдению распада бозона Хиггса на очарованные кварки. Если это удастся, физики смогут проверить фундаментальный вопрос — одинаково ли Хиггс взаимодействует со всеми поколениями кварков, включая лёгкие.

В перспективе это станет ключевым испытанием Стандартной модели, созданной более полувека назад, и даст шанс на открытие новой физики. Ведь если поведение Хиггса хоть немного отклонится от предсказаний, это будет прямым сигналом к существованию глубинных законов природы, которые пока остаются скрытыми.