|
ИИ распознает массу частиц космического излучения
|
|
|
|
Использование искусственного интеллекта (ИИ) пугает многих людей, поскольку нейронные сети, созданные по образцу человеческого мозга, настолько сложны, что даже эксперты в них не разбираются. Однако риск для общества, связанный с применением непрозрачных алгоритмов, варьируется в зависимости от области применения.
|
|
|
|
В то время как искусственный интеллект может нанести большой ущерб демократическим выборам, манипулируя социальными сетями, в астрофизике он в худшем случае приводит к неправильному представлению о космосе, говорит доктор Йонас Гломбитца из Эрлангенского центра физики астрочастиц (ECAP) при Университете Фридриха-Александра в Эрлангене-Нюрнберге (FAU).
|
|
|
|
Астрофизик использует искусственный интеллект для ускорения анализа данных из обсерватории, которая исследует космическое излучение.
|
|
|
|
"Результаты показывают, что наиболее энергичными частицами, поражающими Землю, обычно являются не протоны, а значительно более тяжелые ядра, такие как атомы азота или железа", - говорит Гломбитца. Его анализ был недавно опубликован в Physical Review Letters.
|
|
|
|
|
|
|
Первоначальный скептицизм
|
|
|
|
"Я нахожу применение машинного обучения в астрофизике увлекательным", - говорит Гломбитца. В 2017 году он начал программировать инструменты ML в RWTH Aachen, в 2022 году перешел в FAU, а в 2025 году получил награду ETI, которая поощряет таланты в университете. Термин "искусственный интеллект" физики используют неохотно, поскольку нет единого мнения по поводу его использования и он, как правило, вызывает противоречивые дискуссии.
|
|
|
|
Однако Гломбитце поначалу было трудно убедить своих коллег в преимуществах более простого в использовании "машинного обучения", поскольку большая его часть представляет собой черный ящик. Прорыв произошел, когда результаты ИИ можно было проверить с помощью телескопических наблюдений.
|
|
Излучение далеких галактик
|
|
|
|
Космическое излучение сверхвысокой энергии, вероятно, исходит из галактик за пределами Млечного Пути. Оно состоит из атомных ядер с зарядом от 1018 до 1020 электрон-вольт, что делает их самыми энергичными частицами, встречающимися в природе. При попадании в атмосферу Земли эти первичные частицы взаимодействуют и вызывают воздушный дождь - каскад из бесчисленного множества более мелких частиц, таких как электроны, позитроны, фотоны и мюоны. Некоторые из них поглощаются атмосферой, в то время как другие достигают поверхности Земли в радиусе нескольких квадратных километров.
|
|
|
|
В ходе взаимодействия между каскадом частиц и молекулами азота атмосферы образуется флуоресцентный свет, который может быть измерен специализированными телескопами, такими как обсерватория Пьера Оже, крупнейшая в мире установка для исследования космического излучения.
|
|
|
|
"Измерения там проводятся уже 15 лет", - говорит Гломбитца.
|
|
|
|
Согласно нашим знаниям о строении атомов, первичные частицы космического излучения сверхвысоких энергий могут состоять из всех элементов - от водорода до железа. Из-за своей большой массы атом железа при попадании в атмосферу Земли может образовывать гораздо более сложный каскад частиц, чем один протон.
|
|
|
|
Поэтому наибольшее количество частиц в потоке, которые излучают максимальное количество флуоресцентного света, появляются на большем расстоянии от поверхности Земли. В отличие от этого, первичная частица с меньшей массой может проникнуть гораздо глубже в атмосферу, прежде чем поток частиц достигнет максимальной освещенности.
|
|
|
|
Только при ясном безлунном освещении
|
|
|
|
Анализ максимальной интенсивности флуоресцентного излучения дает хорошую информацию о массе первичной частицы. Однако телескопы работают только в ясные, безлунные ночи, поэтому для статистической оценки доступно гораздо меньше данных, чем при использовании наземных детекторов, которые работают круглосуточно. Однако до сих пор не было возможности восстановить максимальную освещенность потока частиц по сложным схемам распределения поверхностных детекторов.
|
|
|
|
Теперь эту задачу выполняет искусственный интеллект. Он был обучен реконструировать бесчисленные смоделированные потоки частиц, где схема распределения частиц теперь позволяет делать выводы о массе первичной частицы. Впоследствии модели откалиброваны с учетом реальных наблюдений в телескоп.
|
|
|
|
Таким образом, данные с поверхностных детекторов о 60 000 ливнях частиц могут быть использованы для оценки массы.
|
|
|
|
"Чтобы достичь тех же результатов без искусственного интеллекта, нам пришлось бы наблюдать с помощью телескопов в течение 150 лет. Это тот прорыв, которого я добилась", - говорит Гломбитца.
|
|
|
|
Источник
|
