Tidigare denna vecka, fysiker vid Large Hadron Collider meddelade att de hade hittat lockande spår av en eventuell ny grundläggande partikel — kanske en tyngre kusin Higgs boson, eller den svårfångade gravitonen, ett stort bärare av tyngdkraften.
Bevisen kommer från två olika, men kompletterande, experiment, känd som CMS och ATLAS. Varken rapporterade att hitta är tillräckligt fast för att hävda upptäckt, även om det faktum att båda experimenten se en liten antydan av en partikel i exakt samma plats i de uppgifter som är lovande. Som Gizmodo är Jamie Condliffe rapporterade tidigare:
CMS-team har ordinerat resultaten av en statistisk signifikans på 2,6 sigma, medan ATLAS laget har 3,6 sigma. Dessa sigma värden är ett mått på hur troligt det är att resultaten är att representera närvaro av en hypotes partikel: för att ett resultat ska betraktas som en “upptäckt” som kräver ett sigma värde av fem, vilket motsvarar en 1-i-med 3,5 miljoner chans resultatet är en enkel fluke snarare en verklig partikel. Ett värde av tre anses vara en “intressant” som ett resultat, med en större chans för att vara en slump.
Som sagt, det finns fortfarande en stor sannolikhet för att just denna signal kommer att försvinna som LHC forskarna samla in ännu mer data. Det händer hela tiden i partikel-fysik — därav varnande notera slås av ganska mycket varje fysiker som intervjuats om det inte pop champagne-korkar ännu.
För att få en bättre uppfattning om varför detta händer, låt oss ta en närmare titt på hur LHC samlar in och analyserar data. Maskinen kolliderar protoner i hastigheter nära ljusets hastighet, och de höga energi kollisioner producera skurar av partiklar. Fysiker känner igen partiklar av elektroniska signaturer som de lämnar efter sig, i form av radioaktivt sönderfall mönster. Kvarkar existerar bara för bråkdelen av en sekund innan de sönderfaller till andra sekundära partiklar. Eftersom varje kvark har många olika sätt av ruttnande, det finns flera möjliga signaturer, och var och en måste undersökas för att avgöra vilka partiklar som var närvarande vid tidpunkten för kollisionen.
En kollision händelse med ett par foton som följs av CMS-detektorn. Foto: CERN
Sponsrade
Det är därför de detektorer som används av ATLAS och CMS behövs för att hålla koll på vad som händer och vettigt av alla data. Detektorerna fungerar som ett filter, plocka möjligt underskrifter av en okänd partikel av de tiotusentals signaler skapas varje miljondel av en sekund inne i accelerator. Fysikerna vet exakt hur många av varje typ av partikel de bör förvänta oss att se i data, eventuellt överskott över en viss tröskel är en lovande inslag av möjliga nya fysik (som en ny partikel).
När allt är sagt och gjort, de signaler dyker upp så oväntade “gupp” i data — det är därför experimentell partikelfysik fysiker kallar ofta sig själva för “bump jägare.” Saken är den, att det är lätt att se små “knölar” som egentligen inte är det; statistiska artefakter dyker upp hela tiden, särskilt under början av data pågår. Ju mer information du har, desto bättre statistisk analys. Om en liten “bula” kvarstår och blir större — signalen blir starkare — det är mycket mer troligt att det är signaturen för en bona fide ny partikel.
Fysiker talar om signalstyrkan i termer av “sigmas.” Som jag skrev på Kvanta för 2013 en artikel om jakten på mörk materia-partiklar:
En signal styrka bestäms av antalet statistiska avvikelser, eller sigmas, från förväntad bakgrund. Detta mått är ofta jämfört med ett mynt landar på krona flera kastar i rad. En tre-sigma resultatet är ett starkt tips, motsvarande myntet landar på krona nio gånger i rad. Men många sådana signaler försvagas eller försvinna helt och hållet eftersom mer data kommer in och de visar sig vara mindre statistiskt signifikant. Den gyllene standarden för upptäckt är en fem-sigma resultat, ungefär jämförbart gungade 21 huvuden i rad.
Bakgrundsljud gör uppgiften svårare. “En” signal ” är vad du letar efter. “Bakgrund” är allt annat som liknar din signal och gör det svårt för dig att hitta det,” partikelfysikern Matthew Strassler skrev i juli 2011 blogginlägg. Strassler är gynnade analogi är att försöka hitta två vänner som bär matchande röda jackor i ett trångt rum med en massa andra människor som också bär röda jackor. Ibland får man slumpmässigt kluster av röda jackor som bärs av främlingar, vilket du felaktigt att dra slutsatsen att du har hittat dina vänner.
Ett av de sätt som fysiker skydda sig mot dessa typer av falska positiva är genom att använda vad som kallas “Leta någon Annanstans Effekt.” Du har också beräkna sannolikheten för att du skulle se något som helst i data — inte bara att du skulle se en bula i särskild plats. När denna effekt är med i den statistiska signifikansen av detta senaste möjligt signal sjunker till 1,2 sigma för CMS och 1,9 sigma för ATLAS.
Det bästa du kan med andra ord säga, är att det i de senaste ATLAS och CMS resultaten är övertygande. Vid denna punkt, det kan gå hursomhelst. Till exempel, tidigare i år fanns det rapporterade tips av en eventuell tyngre kusin till Higgsbosonen, liksom en glimt av en möjlig supersymmetriska partikel som kallas “den kanten.” Båda dessa signaler försvann i den senaste analysen, efter mer data läggs till mixen.
Å andra sidan, som Dennis Overbye konstaterade i New York Times, för fyra år sedan denna vecka, både CMS och ATLAS rapporterade kittlande inslag av ännu oupptäckta Higgs boson, med “gupp” i samma signal utbud som de senaste kandidat. Sex månader senare, de hade samlat tillräckligt med data för att överskrida den kritiska 5-sigma tröskeln och hävdar upptäckt.
Vi kommer förmodligen att säkert veta till nästa sommar, när både samarbeten förväntas presentera resultaten från de senaste uppgifterna köra på LHC. “Vi är i det intressanta ögonblick, då allt vi kan säga är att det kan vara något verkligt och nytt i denna data och vi tar det på största allvar,” Strassler skrev om de nya resultaten. “Vi måste också ta de statistiska analyserna av dessa gupp på allvar, och de är inte lika lovande som dessa gupp ser med ögat.”
Eller som Nima Arkani-Hamed, en teoretiker vid Institute for Advanced Study i Princeton, berättade för New York Times, “Medan vi är ingenstans nära att flytta champagne ens vagt nära till kylskåpet, det är spännande.”