科學(xué)家開發(fā)了一種基于地球移動距離(EMD)的測量方法，可用于捕捉對撞機事件的空間。EMD是一種用于評估兩個多維概率分布之間不同之處的測量方法。

并在《物理評論快報》上發(fā)表的研究論文中概述提出的度量標準，該標準可以使開發(fā)新的強大工具來分析和可視化對撞機數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)不依賴于可觀測數(shù)據(jù)的選擇。研究基于一個非常簡單的問題：什么時候兩個粒子的碰撞是相似的？

在大型強子對撞機(LHC)中，質(zhì)子以極高的能量被撞在一起，每次碰撞都會產(chǎn)生復(fù)雜的鑲嵌粒子。兩個對撞機事件可能看起來很相似，即使它們由不同數(shù)量和類型的粒子組成。這類似于兩個鑲嵌粒子看起來是相似的，即使它們是由不同數(shù)量和顏色的瓷磚組成。在研究中，Metodiev和同事開始以一種對粒子物理學(xué)概念上有用的方式，捕捉對撞機事件之間的相似性。為了實現(xiàn)這一目標，研究人員采用了一種策略，融合了與最優(yōu)傳輸理論相關(guān)的思想。

最優(yōu)傳輸理論經(jīng)常被用于開發(fā)前沿圖像識別工具，并結(jié)合量子場論的洞見，而量子場論是一種描述基本粒子相互作用的結(jié)構(gòu)。新結(jié)果是一種定量的方法來確定兩個碰撞事件之間的距離，一旦知道每一對對撞機事件之間的距離，就可以對整個LHC數(shù)據(jù)空間進行三角測量。研究人員希望這種處理來自大型強子對撞機的信息方式，將對自然界的基本相互作用產(chǎn)生新見解。從本質(zhì)上講，新度量標準代表了將一個碰撞器事件重新排列到另一個碰撞器事件所需的“工作”。

基于EMD，這是一種通常用于開發(fā)計算機視覺工具的方法，用于比較兩個對象或圖像之間的相似性。EDM工作原理是試圖通過移動“污垢”(在本例中是粒子能量)將一個事件重新排列成另一個事件。通常，成功執(zhí)行這種重新排列需要的工作越多，兩個事件、對象或圖像就越不相似。參與這項研究的另一位研究員帕特里克·科米斯克(Patrick Komiske)表示：這種相似性概念在粒子物理學(xué)中如此有用的原因在于，它與進行理論計算的方式一致。

在量子場論中，不能準確預(yù)測在任何特定的碰撞事件中會發(fā)生什么，但可以預(yù)測產(chǎn)生特定模式的粒子碎片的概率。然而，要定義模式的含義，需要一個相似性的概念，而這正是新度量標準所提供的。在研究中，研究人員特別將測量方法應(yīng)用于噴氣機，通常由高能夸克和膠子產(chǎn)生的粒子噴射。雖然在過去的四十年里，人們對單個噴氣機的性能進行了廣泛研究，但度量標準使研究人員能夠研究成對噴氣機之間的關(guān)系，從而揭示出有關(guān)噴氣機形成過程的新補充信息。

對于各種對撞機任務(wù)來說，對事件之間的相似性有一個普遍概念非常有用。大型強子對撞機的一項常見任務(wù)是對不同類型碰撞進行分類，就像將圖片分類為包含貓、狗或獨角獸一樣。用新度量標準把噴流劃分為夸克、膠子或其他更奇特東西產(chǎn)生的噴流，獲得了接近現(xiàn)代機器學(xué)習(xí)技術(shù)的性能。在一系列的評估中，研究人員證明了該方法在捕捉對撞機事件相似性方面的有效性。其技術(shù)取得了顯著的成果，精度水平可與最先進的機器學(xué)習(xí)模型相媲美。

除了潛在地幫助研究人員對對撞機事件進行分類，還可以用一種全新的方式來可視化對撞機數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)上，在粒子物理學(xué)中，研究人員關(guān)注對撞機事件集合的屬性(即“森林”)或單個對撞機事件(即“樹”)的詳細屬性。由于新度量方法能將類似的碰撞器事件分組在一起，因此通過識別最能捕捉數(shù)據(jù)集主要特性的事件，可以同時觀察“森林”和單個“樹”。此外，從更數(shù)學(xué)的角度來看，一旦有了距離的概念，就可以研究事件空間的幾何形狀，這為思考上世紀70年代對撞機物理學(xué)中已有的概念提供了一種新方式。

例如，為了避免量子場論計算中的無窮大，只需確保事件幾何足夠光滑，沒有任何奇異點。在未來，研究人員計劃開發(fā)基于這種幾何視角的新型對撞機觀測設(shè)備和技術(shù)。該測量方法可以有許多有趣的應(yīng)用，甚至可以用來搜索大型強子對撞機數(shù)據(jù)集中的不規(guī)則現(xiàn)象，使用一種被稱為異常檢測的策略，這最終可能有助于發(fā)現(xiàn)新的物理證據(jù)。短期內(nèi)，研究人員計劃用他們提出的新幾何語言，用新度量標準重新發(fā)現(xiàn)標準模型的已知方面。

這項技術(shù)可能會揭示新粒子或力存在的證據(jù)，以及標準模型本身先前未知的方面。通過相似性概念，不僅可以確定最常見的事件配置，還可以確定最奇異的事件配置，而且這些奇異的事件有可能為標準模型之外的物理學(xué)提供線索。目前正致力于用公共對撞機數(shù)據(jù)對這一想法進行基準測試。自2014年以來，大型強子對撞機的CMS實驗一直在發(fā)布數(shù)據(jù)子集，以便不受限制地使用，包括計算度量所需的所有信息，這讓研究人員有機會在真實的對撞機數(shù)據(jù)上探索。

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參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.041801

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