这项工作提出了一种用于实验颗粒物理学的域通知的神经网络架构，其使用与时引起室（TPC）技术的粒子相互作用定位作为暗物质研究作为示例应用。 TPC内产生的信号的关键特征是它们允许通过称为重建的过程定位粒子相互作用。虽然多层的感知者（MLPS）被出现为TPC中重建的主要竞争者，但这种黑箱方法不反映出潜在的科学进程的先验知识。本文在基于神经网络的交互本地化的重点看，并根据信号特性和检测器几何形状来编码先前的检测器知识，进入多层神经网络的特征编码和输出层。所得到的域通知的神经网络（DINN限制了初始特征编码层中神经元的接收领域，以便考虑TPC内产生的信号的空间局部性质。DINN的这一方面具有相似之处图形神经网络的新出现区域，因为初始层中的神经元在其后续层中仅连接到少数神经元，与MLP相比，显着降低了网络中的参数的数量。此外，为了解释探测器几何形状，网络的输出层使用两个几何变换来修改，以确保Dinn在检测器内部产生本地化。最终结果是一个神经网络架构，参数比MLP更少60％，但仍然达到类似的本地化性能，并为未来的架构开发提供了一种改进性能的路径，因为它们能够ENC的能力odes附加域名知识进入架构。
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机器学习在加强和加速寻求新基本物理学方面发挥着至关重要的作用。我们审查了新物理学的机器学习方法和应用中，在地面高能量物理实验的背景下，包括大型强子撞机，罕见的事件搜索和中微生实验。虽然机器学习在这些领域拥有悠久的历史，但深入学习革命（2010年代初）就研究的范围和雄心而产生了定性转变。这些现代化的机器学习发展是本综述的重点。
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卷积图网络用于粒子物理学，以进行有效的事件重建和分类。但是，如果应用于传感器级数据，则可以通过现代粒子探测器中使用的大量传感器来限制它们的性能。我们提出了一个合并方案，该方案使用分区来在图形上创建汇总内核，类似于图像上的汇总。分区池可用于采用成功的图像识别体系结构，以用于粒子物理中的图形神经网络应用。减少的计算资源允许更深的网络和更广泛的超参数优化。为了显示其适用性，我们构建了一个带有分区池的卷积图网络，该网络重建了理想化的中微子检测器的模拟交互顶点。汇总网络的性能提高了，并且与没有合并的类似网络相比，不容易拟合过度。较低的资源要求允许建立更深层次的网络，并进一步提高性能。
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在2015年和2019年之间，地平线的成员2020年资助的创新培训网络名为“Amva4newphysics”，研究了高能量物理问题的先进多变量分析方法和统计学习工具的定制和应用，并开发了完全新的。其中许多方法已成功地用于提高Cern大型Hadron撞机的地图集和CMS实验所执行的数据分析的敏感性;其他几个人，仍然在测试阶段，承诺进一步提高基本物理参数测量的精确度以及新现象的搜索范围。在本文中，在研究和开发的那些中，最相关的新工具以及对其性能的评估。
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物理信息的神经网络（PINN）是神经网络（NNS），它们作为神经网络本身的组成部分编码模型方程，例如部分微分方程（PDE）。如今，PINN是用于求解PDE，分数方程，积分分化方程和随机PDE的。这种新颖的方法已成为一个多任务学习框架，在该框架中，NN必须在减少PDE残差的同时拟合观察到的数据。本文对PINNS的文献进行了全面的综述：虽然该研究的主要目标是表征这些网络及其相关的优势和缺点。该综述还试图将出版物纳入更广泛的基于搭配的物理知识的神经网络，这些神经网络构成了香草·皮恩（Vanilla Pinn）以及许多其他变体，例如物理受限的神经网络（PCNN），各种HP-VPINN，变量HP-VPINN，VPINN，VPINN，变体。和保守的Pinn（CPINN）。该研究表明，大多数研究都集中在通过不同的激活功能，梯度优化技术，神经网络结构和损耗功能结构来定制PINN。尽管使用PINN的应用范围广泛，但通过证明其在某些情况下比有限元方法（FEM）等经典数值技术更可行的能力，但仍有可能的进步，最著名的是尚未解决的理论问题。
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ICECUBE是一种用于检测1 GEV和1 PEV之间大气和天体中微子的光学传感器的立方公斤阵列，该阵列已部署1.45 km至2.45 km的南极的冰盖表面以下1.45 km至2.45 km。来自ICE探测器的事件的分类和重建在ICeCube数据分析中起着核心作用。重建和分类事件是一个挑战，这是由于探测器的几何形状，不均匀的散射和冰中光的吸收，并且低于100 GEV的光，每个事件产生的信号光子数量相对较少。为了应对这一挑战，可以将ICECUBE事件表示为点云图形，并将图形神经网络（GNN）作为分类和重建方法。 GNN能够将中微子事件与宇宙射线背景区分开，对不同的中微子事件类型进行分类，并重建沉积的能量，方向和相互作用顶点。基于仿真，我们提供了1-100 GEV能量范围的比较与当前ICECUBE分析中使用的当前最新最大似然技术，包括已知系统不确定性的影响。对于中微子事件分类，与当前的IceCube方法相比，GNN以固定的假阳性速率（FPR）提高了信号效率的18％。另外，GNN在固定信号效率下将FPR的降低超过8（低于半百分比）。对于能源，方向和相互作用顶点的重建，与当前最大似然技术相比，分辨率平均提高了13％-20％。当在GPU上运行时，GNN能够以几乎是2.7 kHz的中位数ICECUBE触发速率的速率处理ICECUBE事件，这打开了在在线搜索瞬态事件中使用低能量中微子的可能性。
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视觉的触觉传感器由于经济实惠的高分辨率摄像机和成功的计算机视觉技术而被出现为机器人触摸的有希望的方法。但是，它们的物理设计和他们提供的信息尚不符合真实应用的要求。我们提供了一种名为Insight的强大，柔软，低成本，视觉拇指大小的3D触觉传感器：它不断在其整个圆锥形感测表面上提供定向力分布图。围绕内部单眼相机构造，传感器仅在刚性框架上仅成型一层弹性体，以保证灵敏度，鲁棒性和软接触。此外，Insight是第一个使用准直器将光度立体声和结构光混合的系统来检测其易于更换柔性外壳的3D变形。通过将图像映射到3D接触力的空间分布（正常和剪切）的深神经网络推断力信息。洞察力在0.4毫米的总空间分辨率，力量幅度精度约为0.03 n，并且对于具有不同接触面积的多个不同触点，在0.03-2 n的范围内的5度大约5度的力方向精度。呈现的硬件和软件设计概念可以转移到各种机器人部件。
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由液体闪光灯（LS）靶标组成的大型探测器被一系列照片 - 型型管（PMT）包围，广泛用于现代中微子实验中：Borexino，Kamland，Daya Bay，Double Chooz，Reno，Reno，Reno和即将到来的Juno及其卫星朱诺检测器陶。这样的设备能够测量中微子能量，这可以从PMT通道上的光及其空间和时间分布中得出。但是，在大规模探测器中实现精细的能源分辨率是具有挑战性的。在这项工作中，我们介绍了该类型最先进的检测器Juno的能源重建方法的机器学习方法。我们专注于0-10 MEV的能量范围的正电子事件，该事件与juno $ - $中微子中的主要信号相对应，该信号源自核反应堆核心，并通过逆β-蛋白通道检测到。我们考虑使用PMTS收集的信息计算的综合特征，并在综合特征上进行了培训的深层神经网络。我们描述了我们功能工程程序的详细信息，并表明机器学习模型可以使用工程功能的子集提供能源分辨率$ \ sigma = 3 \％$。用于模型培训和测试的数据集由Monte Carlo方法与官方Juno软件生成。还提出了用于评估实际数据重建算法性能的校准源。
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标准的神经网络可以近似一般的非线性操作员，要么通过数学运算符的组合（例如，在对流 - 扩散反应部分微分方程中）的组合，要么仅仅是黑匣子，例如黑匣子，例如一个系统系统。第一个神经操作员是基于严格的近似理论于2019年提出的深层操作员网络（DeepOnet）。从那时起，已经发布了其他一些较少的一般操作员，例如，基于图神经网络或傅立叶变换。对于黑匣子系统，对神经操作员的培训仅是数据驱动的，但是如果知道管理方程式可以在培训期间将其纳入损失功能，以开发物理知识的神经操作员。神经操作员可以用作设计问题，不确定性量化，自主系统以及几乎任何需要实时推断的应用程序中的代替代物。此外，通过将它们与相对轻的训练耦合，可以将独立的预训练deponets用作复杂多物理系统的组成部分。在这里，我们介绍了Deponet，傅立叶神经操作员和图神经操作员的评论，以及适当的扩展功能扩展，并突出显示它们在计算机械师中的各种应用中的实用性，包括多孔媒体，流体力学和固体机制， 。
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我们描述了作为黑暗机器倡议和LES Houches 2019年物理学研讨会进行的数据挑战的结果。挑战的目标是使用无监督机器学习算法检测LHC新物理学的信号。首先，我们提出了如何实现异常分数以在LHC搜索中定义独立于模型的信号区域。我们定义并描述了一个大型基准数据集，由> 10亿美元的Muton-Proton碰撞，其中包含> 10亿美元的模拟LHC事件组成。然后，我们在数据挑战的背景下审查了各种异常检测和密度估计算法，我们在一组现实分析环境中测量了它们的性能。我们绘制了一些有用的结论，可以帮助开发无监督的新物理搜索在LHC的第三次运行期间，并为我们的基准数据集提供用于HTTPS://www.phenomldata.org的未来研究。重现分析的代码在https://github.com/bostdiek/darkmachines-unsupervisedChallenge提供。
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我们开发了卷积神经网络（CNNS），快速，直接从无线电尘埃连续图像中推断出行星质量。在原始板块中的年轻行星引起的子结构可用于推断潜在的年轻行星属性。流体动力模拟已被用于研究地球属性与这些磁盘特征之间的关系。然而，这些尝试了微调的数值模拟，以一次适合一个原始磁盘，这是耗时的，或者四方平均模拟结果，以导出间隙宽度/深度和行星质量之间的一些线性关系，这丢失了信息磁盘中的不对称功能。为了应对这些缺点，我们开发了行星间隙神经网络（PGNET），以推断出2D图像的行星质量。我们首先符合张等人的网格数据。 （2018）作为分类问题。然后，通过使用近随机采样参数运行额外的模拟来分布数据集，并将行星质量和磁盘粘度一起作为回归问题衍生在一起。分类方法可以达到92 \％的准确性，而回归方法可以达到1 $ \ Sigma $ AS 0.16 DEX，用于行星质量和0.23°D磁盘粘度。我们可以在线性拟合方法中重现退化缩放$ \ alpha $ $ \ propto $ $ m_p ^ 3 $。这意味着CNN方法甚至可以用于寻找退化关系。梯度加权类激活映射有效地确认PGNETS使用适当的磁盘特征来限制行星质量。我们为张等人提供了PGNETS和传统配件方法的计划。 （2018），并讨论各种方法的优缺点。
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这本数字本书包含在物理模拟的背景下与深度学习相关的一切实际和全面的一切。尽可能多，所有主题都带有Jupyter笔记本的形式的动手代码示例，以便快速入门。除了标准的受监督学习的数据中，我们将看看物理丢失约束，更紧密耦合的学习算法，具有可微分的模拟，以及加强学习和不确定性建模。我们生活在令人兴奋的时期：这些方法具有从根本上改变计算机模拟可以实现的巨大潜力。
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The term ``neuromorphic'' refers to systems that are closely resembling the architecture and/or the dynamics of biological neural networks. Typical examples are novel computer chips designed to mimic the architecture of a biological brain, or sensors that get inspiration from, e.g., the visual or olfactory systems in insects and mammals to acquire information about the environment. This approach is not without ambition as it promises to enable engineered devices able to reproduce the level of performance observed in biological organisms -- the main immediate advantage being the efficient use of scarce resources, which translates into low power requirements. The emphasis on low power and energy efficiency of neuromorphic devices is a perfect match for space applications. Spacecraft -- especially miniaturized ones -- have strict energy constraints as they need to operate in an environment which is scarce with resources and extremely hostile. In this work we present an overview of early attempts made to study a neuromorphic approach in a space context at the European Space Agency's (ESA) Advanced Concepts Team (ACT).
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机器学习，在深入学习的进步，在过去分析时间序列方面表现出巨大的潜力。但是，在许多情况下，可以通过将其结合到学习方法中可能改善预测的附加信息。这对于由例如例如传感器位置的传感器网络而产生的数据至关重要。然后，可以通过通过图形结构建模，以及顺序（时间）信息来利用这种空间信息。适应深度学习的最新进展在各种图形相关任务中表明了有希望的潜力。但是，这些方法尚未在很大程度上适用于时间序列相关任务。具体而言，大多数尝试基本上围绕空间 - 时间图形神经网络巩固了时间序列预测的小序列长度。通常，这些架构不适合包含大数据序列的回归或分类任务。因此，在这项工作中，我们使用图形神经网络的好处提出了一种能够在多变量时间序列回归任务中处理这些长序列的架构。我们的模型在包含地震波形的两个地震数据集上进行测试，其中目标是预测在一组站的地面摇动的强度测量。我们的研究结果表明了我们的方法的有希望的结果，这是深入讨论的额外消融研究。
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The occurrence of vacuum arcs or radio frequency (rf) breakdowns is one of the most prevalent factors limiting the high-gradient performance of normal conducting rf cavities in particle accelerators. In this paper, we search for the existence of previously unrecognized features related to the incidence of rf breakdowns by applying a machine learning strategy to high-gradient cavity data from CERN's test stand for the Compact Linear Collider (CLIC). By interpreting the parameters of the learned models with explainable artificial intelligence (AI), we reverse-engineer physical properties for deriving fast, reliable, and simple rule-based models. Based on 6 months of historical data and dedicated experiments, our models show fractions of data with a high influence on the occurrence of breakdowns. Specifically, it is shown that the field emitted current following an initial breakdown is closely related to the probability of another breakdown occurring shortly thereafter. Results also indicate that the cavity pressure should be monitored with increased temporal resolution in future experiments, to further explore the vacuum activity associated with breakdowns.
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在概述中，引入了通用数学对象（映射），并解释了其与模型物理参数化的关系。引入了可用于模拟和/或近似映射的机器学习（ML）工具。ML的应用在模拟现有参数化，开发新的参数化，确保物理约束和控制开发应用程序的准确性。讨论了一些允许开发人员超越标准参数化范式的ML方法。
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最近的工作已经证明了图形神经网络（GNN）等几何深度学习方法非常适合于在高能粒子物理学中解决各种重建问题。特别地，粒子跟踪数据通过识别硅跟踪器命中作为节点和粒子轨迹作为边缘来自然表示为曲线图;给定一组假设的边缘，边缘分类GNN标识与真实粒子轨迹相对应的那些。在这项工作中，我们将物理激励的相互作用网络（IN）GNN调整为与高亮度大强子撞机的预期相似的填充条件中的粒子跟踪问题。假设在各种粒子矩阈值下进行理想化的击中过滤，我们通过在基于GNN的跟踪的每个阶段进行了一系列测量来展示了优异的边缘分类精度和跟踪效率：图形结构，边缘分类和轨道建筑。建议的建筑基本上比以前研究的GNN跟踪架构小幅小;这尤其希望，因为大小的减小对于在受约束的计算环境中实现基于GNN的跟踪至关重要。此外，可以将其表示为一组显式矩阵操作或传递GNN的消息。正在进行努力，以通过异构计算资源朝向高级和低延迟触发应用程序加速每个表示。
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作为一种引起巨大关注的新兴技术，通过分析继电器表面上的漫反射来重建隐藏物体的非视线（NLOS）成像，具有广泛的应用前景，在自主驾驶，医学成像和医学成像领域防御。尽管信噪比低（SNR）和高不良效率的挑战，但近年来，NLOS成像已迅速发展。大多数当前的NLOS成像技术使用传统的物理模型，通过主动或被动照明构建成像模型，并使用重建算法来恢复隐藏场景。此外，NLOS成像的深度学习算法最近也得到了很多关注。本文介绍了常规和深度学习的NLOS成像技术的全面概述。此外，我们还调查了新的拟议的NLOS场景，并讨论了现有技术的挑战和前景。这样的调查可以帮助读者概述不同类型的NLOS成像，从而加速了在角落周围看到的发展。
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可解释的人工智能（XAI）的新兴领域旨在为当今强大但不透明的深度学习模型带来透明度。尽管本地XAI方法以归因图的形式解释了个体预测，从而确定了重要特征的发生位置（但没有提供有关其代表的信息），但全局解释技术可视化模型通常学会的编码的概念。因此，两种方法仅提供部分见解，并留下将模型推理解释的负担。只有少数当代技术旨在将本地和全球XAI背后的原则结合起来，以获取更多信息的解释。但是，这些方法通常仅限于特定的模型体系结构，或对培训制度或数据和标签可用性施加其他要求，这实际上使事后应用程序成为任意预训练的模型。在这项工作中，我们介绍了概念相关性传播方法（CRP）方法，该方法结合了XAI的本地和全球观点，因此允许回答“何处”和“ where”和“什么”问题，而没有其他约束。我们进一步介绍了相关性最大化的原则，以根据模型对模型的有用性找到代表性的示例。因此，我们提高了对激活最大化及其局限性的共同实践的依赖。我们证明了我们方法在各种环境中的能力，展示了概念相关性传播和相关性最大化导致了更加可解释的解释，并通过概念图表，概念组成分析和概念集合和概念子区和概念子区和概念子集和定量研究对模型的表示和推理提供了深刻的见解。它们在细粒度决策中的作用。
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In this article, we use artificial intelligence algorithms to show how to enhance the resolution of the elementary particle track fitting in inhomogeneous dense detectors, such as plastic scintillators. We use deep learning to replace more traditional Bayesian filtering methods, drastically improving the reconstruction of the interacting particle kinematics. We show that a specific form of neural network, inherited from the field of natural language processing, is very close to the concept of a Bayesian filter that adopts a hyper-informative prior. Such a paradigm change can influence the design of future particle physics experiments and their data exploitation.
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