노스캐롤라이나 주 더햄 – 환상처럼 보일 수도 있지만, 세계 최대의 입자 충돌을 연구하는 과학자들에게는 현실입니다.

프랑스와 스위스 국경 아래 약 350피트 지하 터널에는… 대형 강입자 충돌기 그것은 빛의 속도에 가까운 속도로 서로 충돌하는 양성자 광선을 보내 빅뱅 직후 존재했던 조건을 모방하는 작은 분출을 생성합니다.

듀크 물리학자와 같은 과학자들 아슈토시 코트왈 Kotwal은 이러한 충돌로 인해 발생하는 아원자 잔해에는 우주에서 “잃어버린 물질”에 대한 힌트가 포함되어 있을 수 있다고 믿습니다. 인공 지능의 도움으로 Kotwal은 Scientific Reports 저널에 5월 3일자에 설명된 디자인을 사용하여 카메라로 이러한 순간적인 단서를 포착하기를 희망합니다.

인간과 행성의 문제인 일반 물질은 우주 물질의 일부일 뿐입니다. Kotwal과 다른 사람들은 우리가 볼 수 있는 물질보다 5배 더 많은 보이지 않는 물질인 암흑 물질을 찾으려고 노력하고 있지만 그 본질은 여전히 ​​미스터리로 남아 있습니다.

과학자들은 별과 은하에 대한 중력 영향을 통해 그것들이 존재한다는 것을 알고 있지만, 그 외에는 우리는 그것들에 대해 많이 알지 못합니다.

대형 강입자 충돌기는 이것을 바꿀 수 있습니다. 그곳에서 연구자들은 다음을 사용하여 암흑 물질과 기타 미스터리를 검색합니다. 감지기 그들은 거대한 3D 디지털 카메라처럼 작동하여 각 양성자-양성자 충돌로 생성된 입자 스프레이의 연속 스냅샷을 캡처합니다.

일반 입자만이 감지기의 센서를 자극합니다. 연구자들이 대형 강입자 충돌기에서 암흑 물질을 생성할 수 있다면 과학자들은 이를 관찰할 수 있는 한 가지 방법이 일종의 소멸 형태라고 믿습니다. 그런 다음 흔적을 남기지 않고 암흑 물질 입자로 눈에 띄지 않게 용해됩니다.

이러한 입자의 경로를 추적하면 감지기의 내부 층 중간에 사라지는 명확한 “사라지는 흔적”이 남습니다.

그러나 이러한 파악하기 어려운 흔적을 발견하려면 신속하게 움직여야 한다고 Kotwal은 말합니다.

이는 LHC의 탐지기가 초당 약 4천만 개의 비행 입자 이미지를 촬영하기 때문입니다.

이는 모두 캡처할 수 없는 엄청난 양의 원시 데이터이며 대부분은 별로 흥미롭지 않습니다. Kotwal은 건초 더미에서 바늘을 찾고 있습니다.

Kotwal은 “대부분의 이미지에는 우리가 찾고 있는 특별한 서명이 없습니다. 아마도 백만 개의 이미지 중 하나가 우리가 저장하고 싶은 이미지일 것입니다.”라고 말했습니다.

연구자들은 특정 충돌이 흥미로운지 여부를 판단하고 나중에 분석하기 위해 이를 저장하는 데 100만분의 1초밖에 걸리지 않습니다.

Kotwal은 “이 작업을 몇 달 동안 실시간으로 수행하려면 입자 물리학자가 지금까지 할 수 있었던 것보다 최소 100배 빠르게 작동할 수 있는 이미지 인식 기술이 필요합니다.”라고 말했습니다.

Kotwal은 해결책이 있을 것이라고 생각합니다. 그는 동시에 측정된 수만 개의 다른 데이터 포인트 클라우드 중에서 다음 충돌이 발생하기 전에 이러한 순간적인 궤적을 감지하고 표시할 수 있는 빠른 알고리즘인 “궤적 트리거”라는 것을 개발했습니다.

그 디자인은 실리콘 칩에 직접 구축되어 동시에 실행되는 수많은 인공 지능 엔진에 각 이미지를 분석하는 작업을 분산시키는 것을 기반으로 합니다. 이 방법은 250나노초 이내에 이미지를 처리하고 관심 없는 이미지를 자동으로 제외합니다.

Kotwal은 2020년과 2021년에 발표된 두 편의 논문 시리즈에서 이 접근 방식을 처음 설명했습니다. 가장 최근 논문에서는 올해 5월 출간 Scientific Reports에서 그와 참여 학부생 팀은 그의 알고리즘이 실리콘 칩에서 작동할 수 있음을 보여주었습니다.

Kotwal과 그의 학생들은 내년 여름까지 장치의 프로토타입을 제작할 계획이지만 약 2,000개의 칩으로 구성되는 전체 장치를 LHC의 감지기에 장착하려면 3~4년이 더 걸릴 것입니다.

가속기가 계속 가속되면 더 많은 입자가 생성됩니다. Kotwal 장치는 과학자들이 암흑 물질의 존재를 무시하지 않도록 하는 데 도움이 될 수 있습니다.

Kotwal은 “우리의 임무는 암흑 물질 생성 과정이 발생할 경우 우리 기술이 이를 미세 조정할 수 있는지 확인하는 것입니다.”라고 말했습니다.