Космический блокчейн

Фото: ok.ru

Искать редкие космические частицы помогут смартфоны

Алексей Щербаков

22 января, 2018 14:00

3 мин

Научно-учебная лаборатория Методов анализа больших данных (LAMBDA) Высшей школы экономики сделала возможным изучение космических лучей сверхвысоких энергий (UHECR) с помощью… мобильных телефонов!

Космические лучи – потоки заряженных частиц - постоянно проходят сквозь атмосферу Земли. Но особый интерес для учёных представляют частицы сверхвысоких энергий (UHECR, с энергией больше 10¹⁸ эВ). Они появляются у нас крайне редко, и природа их до конца неизвестна: они могут прилетать от сверхновых звезд или чёрных дыр. Попадая в атмосферу Земли, частицы высоких энергий взаимодействуют с молекулами воздуха, в результате чего образуются каскады вторичных частиц с более низкой энергией: их называют «Широкие атмосферные ливни» (EAS).

Было подсчитано, что если поставить детектор площадью 1 км², учёные смогут регистрировать примерно одно событие раз в 100 лет. Так что для полноценного исследования этого явления нужен детектор площадью с небольшую европейскую страну! Вот учёные и предложили регистрировать частицы сверхвысоких энергий (UHECR) с помощью распределённой сети мобильных телефонов!

Для этого исследователи из лаборатории LAMBDA НИУ ВШЭ разработали алгоритм построения свёрточных нейронных сетей, который может работать на обычных мобильных телефонах и регистрировать мюоны, входящие в состав атмосферных ливней.

Камеры мобильных телефонов основаны на той же базовой технологии, что и детекторы частиц, поэтому также могут регистрировать вторичные частицы (EAS). Частицы взаимодействуют с CMOS камерой и оставляют следы в виде слабо активированных пикселей, которые иногда даже трудно отличить от помех и случайного шума.

Тем, кто желает принять участие в эксперименте, необходимо установить на смартфон соответствующее приложение и оставить включёный смартфон на ночь камерой вниз, чтобы обычный свет не попадал в объектив. Смартфон будет сканировать мегапиксельные изображения со скоростью 5 - 15 кадров в секунду и отправлять нужную информацию на сервер.

Ожидается, что сигналы от взаимодействия космических лучей будут встречаться менее чем на одном из 500 кадров. Но если в эксперименте примут участие миллионы телефонов, потребуется особая программа для отбора изображений, на которых зафиксированы именно треки мюонов.

«Для отсева фоновых данных нужен триггерный алгоритм. Мы сделали такую нейронную сеть для распознавания мюонных сигналов, которая может работать на мобильном телефоне достаточно быстро, чтобы успевать обрабатывать видеопоток. Специальная архитектура даёт возможность даже на таком простом оборудовании как мобильный телефон анализировать отклики на прохождение космических лучей», - рассказал заведующий LAMBDA НИУ ВШЭ Андрей Устюжанин.

Сеть разбита на каскады. Первый каскад работает с изображением высокого разрешения, а каждый последующий каскад работает с изображением в четыре раза меньше по площади, причём они работают только на тех участках, которые предыдущий каскад оценил как интересные. Если интересных участков не удалось обнаружить, то каждый каскад может прекратить работу сети в этом участке изображения.

Разработанная математическая модель сейчас проходит бета-тестирование. Поучаствовать в тестировании можно, записавшись на сайте crayfis.io. Авторы надеются, что в случае успешного хода дела, полученная информация даст возможность астрофизикам всего мира уточнить источники космических лучей UHECR, а возможно, и предложить новые теории их природы.

Оригинальная идея реализуется в рамках эксперимента CRAYFIS. Результаты работы лаборатории были представлены на 22-й Международной конференции Conference on Computing in High Energy and Nuclear Physics.