Anfang dieser Woche, Physiker am Large Hadron Collider angekündigt, Sie würden gefunden verlockende Spuren eines möglichen neuen fundamentalen Teilchen — vielleicht ein schwerer cousin des Higgs-Bosons, oder die schwer graviton, ein quantum Träger der Schwerkraft.
Der Beleg stammt aus zwei separaten, aber sich Ergänzende, Experimente, bekannt als CMS und ATLAS. Weder gemeldet finden ist solide genug, um zu behaupten, Entdeckung, obwohl die Tatsache, dass beide Experimente eine leichte Andeutung eines Teilchens in exakt der gleichen Stelle in den Daten ist vielversprechend. Wie Gizmodo Jamie Condliffe früher berichtet:
Das CMS-team verordnet hat die Ergebnisse einer statistischen Signifikanz von 2,6 sigma, während das ATLAS-team hat ‘ s 3.6 sigma. Diese sigma-Werte sind ein Maß dafür, wie wahrscheinlich die Ergebnisse repräsentieren die Anwesenheit von eine hypothetische Teilchen: für ein Ergebnis, um als eine ‘Entdeckung’ erfordert eine sigma-Wert von fünf, das entspricht einer 1-bis 3,5-Millionen-chance-das Ergebnis ist eine einfache fluke eher eine tatsächliche Teilchen. Ein Wert von drei ist, gilt als “interessant” Ergebnis, eine größere chance ein Zufall.
Das heißt, es ist immer noch eine starke Wahrscheinlichkeit, dass dies insbesondere signal wird verschwinden, wie der LHC Wissenschaftler sammeln noch mehr Daten. Es passiert die ganze Zeit in der Teilchen-Physik — daher auch der Warnhinweis beeindruckt von so ziemlich jeder Physiker, wer interviewt wurde darüber nicht die Sektkorken knallen zu lassen nur noch.
Um eine bessere Vorstellung davon bekommen, warum dies geschieht, lassen Sie uns einen genaueren Blick auf, wie der LHC sammelt und analysiert die Daten. Die Maschine kollidiert Protonen bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit, und diese hochenergetischen Kollisionen erzeugen Schauer von Teilchen. Physiker erkennen die Partikel, die durch die elektronischen Signaturen, die Sie hinterlassen, in form von atomaren Zerfall Muster. Quarks existieren nur für Bruchteile einer Sekunde, bevor Sie verfallen in andere sekundäre Partikel. Da jedes quark hat viele verschiedene Arten zerfällt, gibt es mehrere mögliche Signaturen, und jeder muss geprüft werden, um festzustellen, welche Partikel waren bei der Kollision.
Eine Kollision mit einem photon-pair-Mädchen beobachtet, die von der CMS-Detektor. Credit: CERN
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Das ist, warum die Detektoren verwendet, die von ATLAS und CMS sind erforderlich, um zu verfolgen, was passiert ist und Sinn aller Daten. Die Detektoren als filter fungieren, Kommissionierung möglich Signaturen von einem unbekannten Teilchen aus der Zehntausende von Signalen erstellt jeder Millionstel Sekunde innerhalb der accelerator. Physiker wissen genau, wie viele von jeder Art von Teilchen, sollten Sie erwarten, um zu sehen, in der Daten; die überschüssigen oberhalb einer bestimmten Schwelle ist ein vielversprechender Hinweis auf mögliche neue Physik (wie ein neues Teilchen).
Wenn alles gesagt und getan ist, diese Signale zeigen, wie unerwartete “Beulen” in der Daten — das ist der Grund, warum experimentelle Teilchen-Physiker oft nennen sich “bump-Jäger.” Die Sache ist, es ist leicht zu sehen, kleine “Beulen”, die nicht wirklich da; statistische Artefakte auftauchen, die ganze Zeit, besonders während der frühen Daten läuft. Je mehr Daten Sie haben, desto besser ist die statistische Analyse. Wenn eine kleine “Beule” weiterhin bestehen und wird größer — das signal wird stärker — es ist viel wahrscheinlicher, dass es der Unterschrift der bona-fide-neue Teilchen.
Physiker sprechen über die signal Stärke im Sinne von “sigmas.” Wie ich schon schrieb, bei Quanta für 2013 Artikel auf der Jagd nach Teilchen der dunklen Materie:
Ein signal Stärke ist bestimmt durch die Anzahl der standard-statistische Abweichungen, oder sigmas, die von der erwarteten hintergrund. Diese Metrik ist oft im Vergleich zu einer Münze Landung auf mehrere Köpfe wirft in einer Reihe. Ein drei-sigma Ergebnis ist ein starker Hinweis, entspricht der Landung Münze auf Kopf neun mal in der Zeile. Aber viele solcher Signale abschwächen oder ganz verschwinden, je mehr Daten kommt und Sie wiederum weniger statistisch signifikant. Der gold-standard für die Entdeckung ist ein fünf-sigma-Ergebnis, in etwa vergleichbar zu werfen 21 Köpfe in einer Reihe.
Hintergrund Lärm macht die Aufgabe schwieriger. “Ein ‘signal’ ist das, was du bist suchen für. ‘Hintergrund’ ist alles andere erinnert, dass dein signal und macht es schwierig für Sie, um es zu finden,” Teilchenphysiker Matthäus Strassler schrieb im Juli 2011 blog-post. Strassler ist bevorzugt Analogie versucht zu finden, zwei Freunde tragen passende leuchtend roten jacken in einem überfüllten Raum mit vielen anderen Menschen auch tragen leuchtend roten jacken. Manchmal hat man zufällig Cluster von roten jacken getragen von fremden, was Sie fälschlicherweise davon ausgehen, dass Sie haben gefunden Ihre Freunde.
Eine der Möglichkeiten, Physiker Schutz gegen diese Art von false positives ist durch den Einsatz von dem, was ist bekannt als die “Woanders Suchen-Effekt.” Sie haben auch die Wahrscheinlichkeit zu berechnen, dass Sie etwas sehen, überall in der Daten — nicht nur, dass man sehen würde, eine Beule in diesem besonderen Ort. Einmal wird dieser Effekt berücksichtigt, die statistische Signifikanz dieses neueste möglich-signal fällt auf 1,2 sigma für CMS und 1,9 sigma für ATLAS.
Die besten können Sie sagen, in anderen Worten, ist, dass die neueste ATLAS-und CMS-Ergebnisse sind nicht schlüssig. An diesem Punkt könnte es in beide Richtungen gehen. Zum Beispiel, früher in diesem Jahr, gab es berichtet Hinweise auf eine mögliche schwerer cousin, um das Higgs-boson, sowie Einblicke in eine mögliche supersymmetrischen Teilchen namens “the edge”. Sowohl diese Signale verschwand in der neuesten Analyse, nach mehr Daten zu der Mischung Hinzugefügt.
Auf der anderen Seite, als Dennis Overbye beobachtet, in der New York Times, vor vier Jahren in dieser Woche, beide CMS und ATLAS berichtet verlockende Andeutungen von dem noch unentdeckten Higgs-boson, mit “Beulen” in die gleiche Reichweite wie der neueste Kandidat. Sechs Monate später, Sie hatten genug angesammelt Daten überschreiten der kritischen 5-sigma-Schwelle und behaupten Entdeckung.
Wir werden wahrscheinlich wissen, für sicher, dass im nächsten Sommer, wenn beide Kooperationen erwartet, dass die Ergebnisse aus den jüngsten Daten laufen am LHC. “Wir sind in diesem interessanten moment, wenn alles, was wir sagen können ist, dass es möglicherweise etwas real und neue in diese Daten, und wir haben es sehr ernst nehmen,” Strassler schrieb über die neuen Ergebnisse. “Wir müssen auch die statistischen Analysen dieser Beulen ernst, und Sie sind nicht so vielversprechend, wie diese Beulen Blick durch das Auge.”
Oder wie Nima Arkani-Hamed, ein Theoretiker am Institute for Advanced Study in Princeton, sagte der New York Times, “Während wir nirgendwo in der Nähe von beweglichen Champagner auch nur ansatzweise nahe dem Kühlschrank, es ist faszinierend.”