Des chercheurs du Laboratoire de méthodes d'analyse des mégadonnées (LAMBDA) de l'École supérieure d'économie ont amélioré leur méthode d'analyse des rayons cosmiques à ultra haute énergie (UHECR) à l'aide de téléphones portables. Les travaux ont été menés dans le cadre de l'expérience CRAYFIS et les résultats ont été présentés lors de la 22e Conférence internationale sur l'informatique en haute énergie et en physique nucléaire.

Les rayons cosmiques pénètrent constamment dans l'atmosphère terrestre. Il s'agit notamment des rayons cosmiques à ultra haute énergie (UHECR), qui ont une énergie de plus de 10 ¹⁸ eV). Leurs propriétés restent un mystère pour les scientifiques. Ils émanent des supernovae et des trous noirs, et, lors de l'interaction avec les particules atmosphériques, forment des cascades de particules secondaires de moindre énergie. Celles-ci sont connues sous le nom d'averses atmosphériques prolongées (EAS). Les scientifiques ont calculé qu'avec un détecteur d'une superficie de 1 km ² , il serait possible de détecter environ un événement tous les 100 ans. Pour une étude complète, il faudrait une superficie de la taille d'un petit pays européen.

Le projet CRAYFIS propose d'utiliser un réseau de téléphonie mobile distribué pour détecter ces UHECR. Pour faire ça, des chercheurs du LAMBDA de HSE ont développé un algorithme pour construire des réseaux de neurones convolutifs qui peuvent être utilisés avec des téléphones portables conventionnels pour enregistrer les muons composant ces gerbes atmosphériques.

Les caméras des téléphones portables utilisent une technologie similaire à celle des détecteurs de particules, et sont donc capables de détecter EAS. Les particules interagissent avec la caméra CMOS et laissent des traces de pixels faiblement activés, qui peut être difficile à distinguer des interférences et du bruit aléatoire. Les volontaires de l'expérience ont installé l'application sur leurs smartphones et les ont laissés avec les caméras tournées vers le bas pendant la nuit, afin que la lumière normale ne tombe pas sur eux. Les smartphones scannent les images mégapixels à une vitesse de cinq à 15 images par seconde et envoient les informations nécessaires au serveur.

Les scientifiques s'attendent à ce que les signaux de l'interaction des rayons cosmiques se produisent dans moins d'une image sur 500. Étant donné que des millions de téléphones participeront potentiellement à l'expérience, un problème se pose pour séparer les images sur lesquelles des pistes de muons sont enregistrées de toutes les autres. "Un algorithme de déclenchement est nécessaire pour éliminer les données de fond. Nous avons créé un réseau de neurones pour la détection des signaux muons, qui peut être utilisé sur n'importe quel téléphone mobile assez rapidement pour traiter un flux vidéo. Une particularité permet d'utiliser l'algorithme sur quelque chose d'aussi simple qu'un téléphone portable, ce qui signifie qu'ils peuvent maintenant analyser les réponses aux rayons cosmiques, " dit Andrei Ustyuzhanin, responsable de LAMBDA chez HSE.

Le réseau est divisé en cascades. La première cascade fonctionne avec une image haute résolution, et chaque cascade suivante fonctionne avec une image quatre fois plus petite, ne travaillant que sur les parties que la cascade précédente a détectées comme intéressantes. S'il n'y a pas de sites intéressants, la cascade peut empêcher le réseau d'analyser une partie particulière de l'image. Le modèle mathématique est actuellement en phase de test bêta. Les scientifiques citoyens peuvent participer en tant que volontaires en s'inscrivant sur crayfis.io. Les chercheurs espèrent que, si le projet réussit, les informations obtenues permettront aux astrophysiciens du monde entier de clarifier d'où proviennent les rayons cosmiques à ultra-haute énergie, et développer des théories autour de leurs propriétés.