Slimmere algoritmen en detectoren effenen pad voor toekomstig deeltjesonderzoek bij CERN

Hoe ver kunnen we het Standaardmodel van de deeltjesfysica nog op de proef stellen? Volgens jonge onderzoekers Kunal Gautam en Eduardo Ploerer, doctoraatsstudenten aan de Vrije Universiteit Brussel (VUB) en de Universiteit van Zürich, is het einde nog lang niet in zicht. Hun werk levert cruciale bouwstenen voor de Future Circular Collider (FCC-ee), de geplande opvolger van CERN’s huidige Large Hadron Collider.

De FCC-ee wordt een ongezien precisie-instrument, maar die precisie vraagt om slimme ondersteuning. Gautam en Ploerer ontwikkelden daarom nieuwe machinelearning-algoritmen en ultradunne detectoren die samen de “ogen en hersenen” van de toekomst van deeltjesfysica vormen.

Centraal in hun onderzoek staat de DeepJetTransformer, een neuraal netwerk dat patronen herkent in gigantische hoeveelheden data uit botsingen tussen elementaire deeltjes. Het algoritme is gebaseerd op dezelfde transformertechnologie die ook taalmodellen zoals ChatGPT aandrijft. Dankzij deze aanpak kunnen wetenschappers veel beter onderscheiden welke soorten quarks (de fundamentele bouwstenen van materie) betrokken zijn bij een botsing, tot zelfs de moeilijk te herkennen strange quarks toe.

De resultaten zijn verbluffend: processen die vroeger volledig ondergingen in de ruis, zoals het zeldzame verval van het Z-boson naar strange quarks, kunnen nu in seconden worden herkend. De meetnauwkeurigheid stijgt bovendien met een factor duizend, waardoor subtiele effecten zoals de voorwaartse-achterwaartse asymmetrie eindelijk zichtbaar worden.

Naast de softwarekant werkten de onderzoekers ook aan nieuwe hardware. Ze ontwierpen monolithische actieve pixelsensoren (MAPS), ultradunne siliciumdetectoren met een resolutie van minder dan drie micrometer en een efficiëntie van meer dan 99%. Zelfs onder intense straling blijven deze sensoren betrouwbaar, wat ze niet alleen geschikt maakt voor de toekomstige FCC-ee, maar ook voor lopende experimenten zoals ALICE bij de LHC.

Met hun innovatieve combinatie van kunstmatige intelligentie en geavanceerde detectietechnologie geven Gautam en Ploerer een flinke boost aan de zoektocht naar nieuwe natuurkundige inzichten. “We willen niet alleen bevestigen wat we al weten,” zeggen ze, “maar vooral openstaan voor verrassingen. De FCC-ee zou wel eens de plek kunnen worden waar het Standaardmodel begint te kraken.”

Lees meer