CE31 - Physique subatomique et astrophysique

Trouver des désintégrations invisibles avec l'apprentissage profond à Belle II – FIDDLE

Résumé de soumission

Le projet FIDDLE a pour projet ambitieux d'augmenter le potentiel de
découverte de l'expérience Belle II en exploitant le succès de
l'apprentissage profond. Il doit mener à la première observation des
désintégrations B --> K(*) nu nubar, qui sont parmi les plus
prometteuses pour trouver des signes de la nouvelle physique
nécessaire pour compléter le Modèle Standard de physique des
particules. Elles sont liées aux déviations intrigantes observées
récemment dans les transitions b --> s l l. Notamment leur rapport
d'embranchement devrait aussi être modifié si ces anomalies sont bien
causées par des nouveaux processus physiques. De plus la paire de
neutrinos de l'état final K(*) nu nubar n'est pas reconstruite
explicitement mais seulement déduite par la présence de particules
manquantes. Cette recherche peut donc découvrir aussi des nouvelles
particules invisibles comme celles qui pourraient constituer la
matière noire.

Belle II est la seule expérience au monde permettant d'observer ce
type de désintégrations. Des paires de mésons B sont produits dans des
collisions entre électrons et positrons par l'accélérateur le plus
lumineux au monde. Comme les neutrinos ne sont pas détectables, il est
nécessaire de reconstruire complètement l'événement pour contraindre
la cinématique et identifier correctement le signal.
Il est donc nécessaire de reconstruire l'autre méson B
qui peut se désintégrer de milliers de façons
différentes. L'algorithme actuellement utilisé pour cela s'appelle
Full Event Interpretation (FEI). Il s'agit d'une approche hiérarchique
où une série de classificateurs peu profonds combinent les particules
de l'état final pour former des particules intermédiaires et
finalement le méson B. Dans cette approche, toutes les désintégrations
considérées doivent être explicitement définies et correspondent à
environ 15% du rapport de branchement total du méson B.

La reconstruction générique d'un méson B est un problème complexe
présentant des analogies avec la vision artificielle et autres
domaines où l'apprentissage profond a apporté des bénéfices
importants. Dans la dernière décennie, l'apprentissage profond a
révolutionné la vision artificielle qui était jusque là dominée par
l'utilisation de classificateurs peux profonds basés sur des variables
de haut niveau définies par des experts. Avec l'apprentissage profond,
au contraire, les images sont directement traitées par des réseaux de
neurones profonds qui sont capables de définir de manière autonome les
variables de haut niveau les mieux adaptées au problème.

Nous proposons de développer le DeepFEI comme alternative au FEI
actuel, un réseau de neurones profond pour reconstruire une
désintégration générique de méson B sans devoir explicitement définir
toutes les voies possibles de désintégration. L'apprentissage profond
a déjà été employé avec succès en physique des particules, mais jamais
pour résoudre ce problème. Un réseau à graphe est l'architecture de
réseau la mieux adapté à notre problème car il s'adapte bien aux
systèmes physiques. Une amélioration significative par rapport aux
performances du FEI semble possible si l'on considère l'amélioration
apportée par l'apprentissage profond pour des problèmes similaires,
l'augmentation des voies de désintégration qui pourraient ainsi être
reconstruites et les résultats d'études préliminaires. Une telle
amélioration permettra la première observation des désintégrations B
--> K(*) nu nubar d'ici la fin de ce projet et augmentera
considérablement la capacité de découvrir des effets de nouvelle
physique. De plus le DeepFEI pourra bénéficier à d'autres analyses
impliquant des neutrinos dans l'état final, comme celles qui étudient
les anomalies observées dans les transitions b --> c l nu. Pour
atteindre ces objectifs un postdoc rejoindra notre équipe
pluridisciplinaire de physiciens et informaticiens.

Coordination du projet

Giulio DUJANY (Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien - IPHC (UMR 7178))

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IPHC Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien - IPHC (UMR 7178)

Aide de l'ANR 213 057 euros
Début et durée du projet scientifique : - 36 Mois

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