威廉与玛丽学院获100万美元AI物理研究拨款
威廉与玛丽学院近日从美国能源部获得一项总额100万美元的新拨款，将牵头推进“AID2E”项目的下一阶段工作。该项目是...
威廉与玛丽学院近日从美国能源部获得一项总额100万美元的新拨款，将牵头推进“AID2E”项目的下一阶段工作。该项目是一项雄心勃勃的计划，旨在将人工智能技术深度整合到大型物理实验的设计与优化中，尤其适用于配备多探测器系统的复杂实验装置。
AID2E全称为“电子离子对撞机及未来实验的人工智能辅助探测器设计与优化框架”。该项目致力于应对现代核物理与粒子物理实验中的关键共性挑战：如何设计与优化那些参数众多、工程考量复杂且需兼顾多重物理目标的实验系统。
该项目所开发的人工智能辅助框架，将主要用于支持未来“电子离子对撞机”的设计与优化工作。EIC是美国核物理学领域的旗舰级项目，坐落于布鲁克海文国家实验室，并与托马斯·杰斐逊国家加速器实验室密切合作。建成后，EIC将能以前所未有的精细度研究质子与中子的内部结构，探索原子核的深层奥秘，从而增进我们对夸克和胶子如何构建可见物质的质量与结构的理解，并产生广泛的科学与技术影响。
项目初期阶段于2023年启动，AID2E已成功验证了利用人工智能指导和支持探测器设计研究的可行性。该阶段资金隶属于一项总额145万美元的大型资助计划，参与机构包括布鲁克海文国家实验室、杰斐逊实验室、美国天主教大学及杜克大学。
“人工智能辅助的探测器设计与优化，将使EIC及其他大型实验得以实现更高的性能、更低的运营成本、更短的设计周期，以及比以往更为宏大的物理目标，”威廉与玛丽学院数据科学副教授、该项目首席研究员克里斯蒂亚诺·法内利表示。
AID2E框架将先进的优化技术与现代数据驱动的工作流管理系统相结合，以支撑大规模的复杂探测器设计与优化研究。新阶段的努力将引入大型语言模型代理，旨在简化和协调这些工作流程，同时确保研究人员始终处于监督的核心位置。
攻克现代物理实验的关键挑战
试想设计一台世界上最复杂的科学相机——一台旨在精确测量粒子与辐射的仪器，它包含数百个相互依存的部件。改变任何一个部件，例如传感器的形状或某一层的材料，都可能影响整个系统的运行。历史上，这类高度复杂的系统主要依靠人工进行优化，导致几乎无法对设计空间进行全面探索。
AID2E正是利用人工智能来帮助破解这个庞大的难题。
通过探索远超人类能力范围的设计空间，AID2E能够揭示出非直观的配置方案，在提升性能的同时，实现粒子识别与跟踪精度的提高、有效接受范围的扩大，并在满足甚至超越实验物理目标的前提下，减少材料用量或降低成本。
“探测器的复杂性、大规模模拟所需的巨额计算成本，以及日益增长的实验需求，已经超出了传统手动方法的处理能力，”法内利指出。“而现代人工智能方法，在近年来大幅提升的计算能力支持下，已发展成为可靠且可扩展的解决方案。”
探测器及其他领域的崭新可能
AID2E的应用并不局限于单一实验或科学领域。
该框架已成功应用于杰斐逊实验室CLAS12探测器中的RICH探测器对准研究，目前正拓展至材料研发领域，例如设计一种新型纤维增强气凝胶。这种极致轻盈的多孔材料正被改造以实现更高的强度和更优的光学质量，这对先进探测器及相关技术至关重要。
“AID2E对优化对象没有预设偏好，因此其应用范围远不止于EIC，”法内利说。“它可以用于支持未来探测器的设计、改进现有实验的对准与校准流程，并解决广泛的优化任务。”
在未来两年内，AID2E团队的目标是将该框架整合到EIC的模拟研究活动中，拓展其在其他探测器子系统中的应用，并将其在探测器对准、材料研究和流程自动化方面取得的成功经验，推广至全美各实验室。
国家在科学人工智能领域的领导力
AID2E项目使威廉与玛丽学院成为一项全国瞩目、多机构协作努力的核心。该协作连接了物理学、人工智能、数据科学与先进计算等多个前沿领域。
AID2E与EIC的“ePIC”国际合作组协同工作，该合作组涵盖了来自25个国家的180多家机构。由威廉与玛丽学院主导、能源部资助的AID2E项目，充分展示了其在开发先进人工智能方法、将AI与大规模科学工作流相集成，以及为主要国家级和国际研究设施提供工具方面的强大实力。
该项目为研究生和本科生提供了直接参与科学人工智能研究的机会，使他们能够为国家实验室使用的软件作出贡献，并与EIC国际社区互动，从而获取现代人工智能方法、科学计算、工作流编排以及真实探测器应用方面的宝贵经验。
“对许多学生而言，这将是他们首次参与国家级的科学项目，为他们未来在人工智能、数据科学和实验物理学等领域的竞争性职业生涯奠定基础，”法内利补充道。
该项目也提升了威廉与玛丽学院在主要能源部设施中的作用，提供了在实验各个阶段都日益重要的人工智能与软件能力。
“这个项目体现了大学与国家级实验室合作在推动人工智能驱动科学研究方面的力量，”法内利表示。“AID2E汇聚了来自物理学、探测器技术、人工智能、软件和计算等领域的互补性专业知识，创建了一个协同合作的环境。在此环境中，可以利用国家实验室提供的强大计算与工作流基础设施来开发、测试和扩展创新想法。”
展望未来十年，法内利预见科学工作流程将越来越多地得到人工智能的辅助，系统将能够通过自然语言与科学家互动，并协调复杂的大规模计算任务。这与国家通过人工智能加速科学发现的愿景高度一致。
“AID2E展示了人工智能如何整合到科学工作流中，在实验的关键阶段——从设计到调试，再到运行期间的优化——为科学家提供协助，”法内利总结道。“随着实验规模与复杂性的不断增长，这些人工智能能力变得愈发重要，有助于简化和现代化大规模实验的设计与运行。”
AID2E全称为“电子离子对撞机及未来实验的人工智能辅助探测器设计与优化框架”。该项目致力于应对现代核物理与粒子物理实验中的关键共性挑战：如何设计与优化那些参数众多、工程考量复杂且需兼顾多重物理目标的实验系统。
该项目所开发的人工智能辅助框架，将主要用于支持未来“电子离子对撞机”的设计与优化工作。EIC是美国核物理学领域的旗舰级项目，坐落于布鲁克海文国家实验室，并与托马斯·杰斐逊国家加速器实验室密切合作。建成后，EIC将能以前所未有的精细度研究质子与中子的内部结构，探索原子核的深层奥秘，从而增进我们对夸克和胶子如何构建可见物质的质量与结构的理解，并产生广泛的科学与技术影响。
项目初期阶段于2023年启动，AID2E已成功验证了利用人工智能指导和支持探测器设计研究的可行性。该阶段资金隶属于一项总额145万美元的大型资助计划，参与机构包括布鲁克海文国家实验室、杰斐逊实验室、美国天主教大学及杜克大学。
“人工智能辅助的探测器设计与优化，将使EIC及其他大型实验得以实现更高的性能、更低的运营成本、更短的设计周期，以及比以往更为宏大的物理目标，”威廉与玛丽学院数据科学副教授、该项目首席研究员克里斯蒂亚诺·法内利表示。
AID2E框架将先进的优化技术与现代数据驱动的工作流管理系统相结合，以支撑大规模的复杂探测器设计与优化研究。新阶段的努力将引入大型语言模型代理，旨在简化和协调这些工作流程，同时确保研究人员始终处于监督的核心位置。
攻克现代物理实验的关键挑战
试想设计一台世界上最复杂的科学相机——一台旨在精确测量粒子与辐射的仪器，它包含数百个相互依存的部件。改变任何一个部件，例如传感器的形状或某一层的材料，都可能影响整个系统的运行。历史上，这类高度复杂的系统主要依靠人工进行优化，导致几乎无法对设计空间进行全面探索。
AID2E正是利用人工智能来帮助破解这个庞大的难题。
通过探索远超人类能力范围的设计空间，AID2E能够揭示出非直观的配置方案，在提升性能的同时，实现粒子识别与跟踪精度的提高、有效接受范围的扩大，并在满足甚至超越实验物理目标的前提下，减少材料用量或降低成本。
“探测器的复杂性、大规模模拟所需的巨额计算成本，以及日益增长的实验需求，已经超出了传统手动方法的处理能力，”法内利指出。“而现代人工智能方法，在近年来大幅提升的计算能力支持下，已发展成为可靠且可扩展的解决方案。”
探测器及其他领域的崭新可能
AID2E的应用并不局限于单一实验或科学领域。
该框架已成功应用于杰斐逊实验室CLAS12探测器中的RICH探测器对准研究，目前正拓展至材料研发领域，例如设计一种新型纤维增强气凝胶。这种极致轻盈的多孔材料正被改造以实现更高的强度和更优的光学质量，这对先进探测器及相关技术至关重要。
“AID2E对优化对象没有预设偏好，因此其应用范围远不止于EIC，”法内利说。“它可以用于支持未来探测器的设计、改进现有实验的对准与校准流程，并解决广泛的优化任务。”
在未来两年内，AID2E团队的目标是将该框架整合到EIC的模拟研究活动中，拓展其在其他探测器子系统中的应用，并将其在探测器对准、材料研究和流程自动化方面取得的成功经验，推广至全美各实验室。
国家在科学人工智能领域的领导力
AID2E项目使威廉与玛丽学院成为一项全国瞩目、多机构协作努力的核心。该协作连接了物理学、人工智能、数据科学与先进计算等多个前沿领域。
AID2E与EIC的“ePIC”国际合作组协同工作，该合作组涵盖了来自25个国家的180多家机构。由威廉与玛丽学院主导、能源部资助的AID2E项目，充分展示了其在开发先进人工智能方法、将AI与大规模科学工作流相集成，以及为主要国家级和国际研究设施提供工具方面的强大实力。
该项目为研究生和本科生提供了直接参与科学人工智能研究的机会，使他们能够为国家实验室使用的软件作出贡献，并与EIC国际社区互动，从而获取现代人工智能方法、科学计算、工作流编排以及真实探测器应用方面的宝贵经验。
“对许多学生而言，这将是他们首次参与国家级的科学项目，为他们未来在人工智能、数据科学和实验物理学等领域的竞争性职业生涯奠定基础，”法内利补充道。
该项目也提升了威廉与玛丽学院在主要能源部设施中的作用，提供了在实验各个阶段都日益重要的人工智能与软件能力。
“这个项目体现了大学与国家级实验室合作在推动人工智能驱动科学研究方面的力量，”法内利表示。“AID2E汇聚了来自物理学、探测器技术、人工智能、软件和计算等领域的互补性专业知识，创建了一个协同合作的环境。在此环境中，可以利用国家实验室提供的强大计算与工作流基础设施来开发、测试和扩展创新想法。”
展望未来十年，法内利预见科学工作流程将越来越多地得到人工智能的辅助，系统将能够通过自然语言与科学家互动，并协调复杂的大规模计算任务。这与国家通过人工智能加速科学发现的愿景高度一致。
“AID2E展示了人工智能如何整合到科学工作流中，在实验的关键阶段——从设计到调试，再到运行期间的优化——为科学家提供协助，”法内利总结道。“随着实验规模与复杂性的不断增长，这些人工智能能力变得愈发重要，有助于简化和现代化大规模实验的设计与运行。”
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