Un réseau de neurones qui compte la lumière dans la glace
Un interprète arrive à une réunion où l'on parle une langue qu'il ne connaît pas. Au début, il doit écouter chaque mot, tout noter mot à mot, puis vérifier avec l'original. C'est ainsi que fonctionnent les simulateurs du télescope à neutrinos IceCube : ils suivent chaque photon né dans la glace antarctique, qui a parcouru des centaines de mètres et a frappé un capteur. Une campagne nécessite environ 100 000 heures de travail de cartes graphiques puissantes, car la glace est hétérogène, les couches de poussière et de bulles courbent le trajet de la lumière, et chaque photon doit être suivi individuellement.
Le réseau de neurones candela, créé à Harvard et au MIT, se comporte différemment. Il apprend le langage même de la glace : à partir des coordonnées de la source et du capteur, il donne instantanément la quantité de lumière qui arrivera et sa dispersion temporelle. Le réseau contient six couches de 512 neurones et a été entraîné sur 65 536 configurations de cascades isolées générées par le simulateur de référence. Au lieu de faire courir des milliards de photons, le réseau additionne les réponses de toutes les sources, comme un interprète assemble le sens d'une phrase à partir de mots déjà connus.
La précision n'en souffre pas. Pour des événements neutrinos indépendants avec des énergies de 100 GeV à 1 PeV, la sortie de photons prédite correspond à la référence à moins de 2 %, et la distribution des temps d'arrivée suit la référence sur six ordres de grandeur du nombre attendu de photons. Un écart n'apparaît que là où le capteur lui-même cesse d'être linéaire, c'est-à-dire à des luminosités proches de la saturation.
Auparavant, la simulation de la lumière était l'étape la plus coûteuse dans l'analyse des données d'IceCube. Maintenant que l'interprète a appris la langue, on peut non seulement calculer le bruit de fond plus rapidement, mais aussi résoudre le problème inverse : ajuster les paramètres des neutrinos directement en utilisant les gradients du réseau. Cela ouvre la voie à la calibration des propriétés optiques de la glace, qui contribuent aujourd'hui principalement aux incertitudes systématiques du télescope.
L'interprète qui, auparavant, se laissait distraire par chaque bruissement dans la salle, résume maintenant l'essentiel de la réunion en quelques secondes. La glace de l'Antarctique, qui conserve les traces des neutrinos cosmiques, devient plus compréhensible.
La glace d'IceCube, à une profondeur de 1,5 à 2,5 km, est si transparente que les photons peuvent parcourir des centaines de mètres en se diffusant sur les bulles et la poussière. Le réseau candela apprend précisément cette « mémoire » de la glace : il prédit non seulement la quantité de lumière qui arrivera, mais aussi quand, avec une précision de l'ordre de la nanoseconde.