对撞机以超高能量发射质子，每次都会产生复杂的粒子！

科学家开发了一种基于地球移动距离(EMD)的测量方法，可用于捕捉对撞机事件的空间。EMD是一种用于评估两个多维概率分布之间不同之处的测量方法。并在《物理评论快报》上发表的研究论文中概述提出的度量标准，该标准可以使开发新的强大工具来分析和可视化对撞机数据，而这些数据不依赖于可观测数据的选择。研究基于一个非常简单的问题：什么时候两个粒子的碰撞是相似的？

在大型强子对撞机(LHC)中，质子以极高的能量被撞在一起，每次碰撞都会产生复杂的镶嵌粒子。两个对撞机事件可能看起来很相似，即使它们由不同数量和类型的粒子组成。这类似于两个镶嵌粒子看起来是相似的，即使它们是由不同数量和颜色的瓷砖组成。在研究中，Metodiev和同事开始以一种对粒子物理学概念上有用的方式，捕捉对撞机事件之间的相似性。

为了实现这一目标，研究人员采用了一种策略，融合了与最优传输理论相关的思想。最优传输理论经常被用于开发前沿图像识别工具，并结合量子场论的洞见，而量子场论是一种描述基本粒子相互作用的结构。

新结果是一种定量的方法来确定两个碰撞事件之间的距离，一旦知道每一对对撞机事件之间的距离，就可以对整个LHC数据空间进行三角测量。研究人员希望这种处理来自大型强子对撞机的信息方式，将对自然界的基本相互作用产生新见解。从本质上讲，新度量标准代表了将一个碰撞器事件重新排列到另一个碰撞器事件所需的“工作”。基于EMD，这是一种通常用于开发计算机视觉工具的方法，用于比较两个对象或图像之间的相似性。

EDM工作原理是试图通过移动“污垢”(在本例中是粒子能量)将一个事件重新排列成另一个事件。通常，成功执行这种重新排列需要的工作越多，两个事件、对象或图像就越不相似。参与这项研究的另一位研究员帕特里克·科米斯克(Patrick Komiske)表示：这种相似性概念在粒子物理学中如此有用的原因在于，它与进行理论计算的方式一致。在量子场论中，不能准确预测在任何特定的碰撞事件中会发生什么，但可以预测产生特定模式的粒子碎片的概率。

然而，要定义模式的含义，需要一个相似性的概念，而这正是新度量标准所提供的。在研究中，研究人员特别将测量方法应用于喷气机，通常由高能夸克和胶子产生的粒子喷射。虽然在过去的四十年里，人们对单个喷气机的性能进行了广泛研究，但度量标准使研究人员能够研究成对喷气机之间的关系，从而揭示出有关喷气机形成过程的新补充信息。对于各种对撞机任务来说，对事件之间的相似性有一个普遍概念非常有用。

大型强子对撞机的一项常见任务是对不同类型碰撞进行分类，就像将图片分类为包含猫、狗或独角兽一样。用新度量标准把喷流划分为夸克、胶子或其他更奇特东西产生的喷流，获得了接近现代机器学习技术的性能。在一系列的评估中，研究人员证明了该方法在捕捉对撞机事件相似性方面的有效性。其技术取得了显著的成果，精度水平可与最先进的机器学习模型相媲美。

除了潜在地帮助研究人员对对撞机事件进行分类，还可以用一种全新的方式来可视化对撞机数据。传统上，在粒子物理学中，研究人员关注对撞机事件集合的属性(即“森林”)或单个对撞机事件(即“树”)的详细属性。由于新度量方法能将类似的碰撞器事件分组在一起，因此通过识别最能捕捉数据集主要特性的事件，可以同时观察“森林”和单个“树”。此外，从更数学的角度来看，一旦有了距离的概念，就可以研究事件空间的几何形状，这为思考上世纪70年代对撞机物理学中已有的概念提供了一种新方式。

例如，为了避免量子场论计算中的无穷大，只需确保事件几何足够光滑，没有任何奇异点。在未来，研究人员计划开发基于这种几何视角的新型对撞机观测设备和技术。该测量方法可以有许多有趣的应用，甚至可以用来搜索大型强子对撞机数据集中的不规则现象，使用一种被称为异常检测的策略，这最终可能有助于发现新的物理证据。短期内，研究人员计划用他们提出的新几何语言，用新度量标准重新发现标准模型的已知方面。

这项技术可能会揭示新粒子或力存在的证据，以及标准模型本身先前未知的方面。通过相似性概念，不仅可以确定最常见的事件配置，还可以确定最奇异的事件配置，而且这些奇异的事件有可能为标准模型之外的物理学提供线索。目前正致力于用公共对撞机数据对这一想法进行基准测试。自2014年以来，大型强子对撞机的CMS实验一直在发布数据子集，以便不受限制地使用，包括计算度量所需的所有信息，这让研究人员有机会在真实的对撞机数据上探索。

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参考期刊《物理评论快报》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.041801

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