Uma armadilha fotográfica para o invisível — uma solução para o difícil problema de reconhecimento de padrões na física experimental de partículas

Parece fantástico, mas é uma realidade para os cientistas que trabalham no maior colisor de partículas do mundo.

Em um túnel subterrâneo a cerca de 106 metros abaixo da fronteira entre França e Suíça, um enorme dispositivo chamado Grande Colisor de Hádrons envia feixes de prótons colidindo uns com os outros quase na velocidade da luz, criando pequenas erupções que imitam as condições que existiam imediatamente após o Big Bang.

Cientistas como o físico de Duke, Ashutosh Kotwal, acreditam que os detritos subatômicos dessas colisões podem conter indícios da “matéria perdida” do universo. E com alguma ajuda da inteligência artificial, Kotwal espera capturar essas pistas fugazes na câmera, usando um design descrito em 3 de maio no periódico Relatórios científicos.

Matéria comum — a matéria das pessoas e dos planetas — é apenas parte do que está lá fora. Kotwal e outros estão caçando matéria escura, uma matéria invisível que é cinco vezes mais abundante do que a matéria que podemos ver, mas cuja natureza continua sendo um mistério.

Os cientistas sabem que ele existe por sua influência gravitacional em estrelas e galáxias, mas, além disso, não sabemos muito sobre ele.

O Large Hadron Collider pode mudar isso. Lá, pesquisadores estão procurando por matéria escura e outros mistérios usando detectores que agem como câmeras digitais 3D gigantes, tirando instantâneos contínuos do spray de partículas produzido por cada colisão próton-próton.

Apenas partículas comuns acionam os sensores de um detector. Se os pesquisadores puderem fazer matéria escura no LHC, os cientistas acham que uma maneira de ela ser perceptível é como uma espécie de ato de desaparecimento: partículas pesadas carregadas que viajam uma certa distância — 10 polegadas ou mais — do ponto de colisão e então decaem invisivelmente em partículas de matéria escura sem deixar rastros.

Se você refazer os caminhos dessas partículas, elas deixarão um “rastro de desaparecimento” revelador que desaparece no meio do caminho através das camadas internas do detector.

Mas para detectar esses rastros indescritíveis, eles precisarão agir rápido, diz Kotwal.

Isso porque os detectores do LHC tiram cerca de 40 milhões de instantâneos de partículas voadoras a cada segundo. São dados brutos demais para guardar tudo e a maioria deles não é muito interessante. Kotwal está procurando uma agulha no palheiro.

“A maioria dessas imagens não tem as assinaturas especiais que estamos procurando”, disse Kotwal. “Talvez uma em um milhão seja uma que queremos salvar.”

Os pesquisadores têm apenas alguns milionésimos de segundo para determinar se uma colisão específica é de interesse e armazená-la para análise posterior.

“Fazer isso em tempo real, e por meses a fio, exigiria uma técnica de reconhecimento de imagem que pudesse ser executada pelo menos 100 vezes mais rápido do que qualquer coisa que os físicos de partículas já conseguiram fazer”, disse Kotwal.

Kotwal acha que pode ter uma solução. Ele vem desenvolvendo algo chamado “track trigger”, um algoritmo rápido que é capaz de detectar e sinalizar esses rastros fugazes antes que a próxima colisão ocorra, e entre uma nuvem de dezenas de milhares de outros pontos de dados medidos ao mesmo tempo.

Seu design funciona dividindo a tarefa de analisar cada imagem entre um grande número de mecanismos de IA rodando simultaneamente, construídos diretamente em um chip de silício. O método processa uma imagem em menos de 250 nanossegundos, eliminando automaticamente as desinteressantes.

Kotwal descreveu a abordagem pela primeira vez em uma sequência de dois artigos publicados em 2020 e 2021. No artigo mais recente, ele e uma equipe de coautores estudantes de graduação mostram que seu algoritmo pode ser executado em um chip de silício.

Kotwal e seus alunos planejam construir um protótipo de seu dispositivo até o próximo verão, embora demore mais três ou quatro anos até que o dispositivo completo — que consistirá em cerca de 2.000 chips — possa ser instalado nos detectores do LHC.

À medida que o desempenho do acelerador continua a aumentar, ele produzirá ainda mais partículas. E o dispositivo de Kotwal pode ajudar a garantir que, se a matéria escura estiver escondida entre elas, os cientistas não a perderão.

“Nosso trabalho é garantir que, se a produção de matéria escura estiver acontecendo, nossa tecnologia esteja preparada para capturá-la em ação”, disse Kotwal.