Tidligere denne uken, fysikere ved Large Hadron Collider annonserte at de hadde funnet fristende spor av en mulig ny fundamental partikkel — kanskje en tyngre fetter av Higgs-bosonet, eller unnvikende graviton, en quantum bærer av tyngdekraften.
Bevisene som kommer fra to ulike, men komplementære, eksperimenter, kjent som CMS og ATLAS. Verken rapporterte funn er solid nok til å hevde-funnet, selv om det faktum at begge eksperimenter se en svak hint av en partikkel i nøyaktig samme sted i data er lovende. Som Gizmodo har Jamie Condliffe rapportert tidligere:
CMS-teamet har foreskrevet resultatene av en statistisk signifikans på 2,6 sigma, mens ATLAS-teamet har 3.6 sigma. Disse sigma verdier er et mål på hvor sannsynlig det er at resultatene er til å representere tilstedeværelsen av en hypotese partikkel: for et resultat for å bli ansett som en ‘discovery’ krever en sigma verdi av fem, som tilsvarer et 1-i-3.5 millioner sjanse for at resultatet blir en enkel fluke heller en faktisk partikkel. En verdi av tre er ansett for å være en “interessant” resultat, med en større sjanse for å være en tilfeldighet.
Når det er sagt, det er fortsatt en sterk sannsynlighet for at denne spesielle signal vil forsvinne som LHC forskere samle inn enda mer data. Det skjer hele tiden i partikkelfysikk — derav advarende merk rammet av ganske mye hver fysiker som er blitt intervjuet om det å ikke pop champagne-korkene ennå.
For å få en bedre forståelse av hvorfor dette skjer, la oss ta en nærmere titt på hvordan LHC samler inn og analyserer data. Maskinen protoner kolliderer med hastigheter nær lysets hastighet, og de høy-energi kollisjoner produsere dusjer av partikler. Fysikere gjenkjenne partikler av elektroniske signaturer la de bak seg, i form av kjernefysiske forfall mønstre. Kvarker eksisterer bare for brøkdeler av et sekund før de forfall til andre sekundære partikler. Siden hver quark har mange forskjellige måter av råtnende, det er flere mulige signaturer, og hver må undersøkes for å finne ut hvilke partikler som var til stede på tidspunktet for kollisjon.
En kollisjon hendelse med et foton par observert av CMS-detektor. Kreditt: CERN
Sponset
Det er derfor detektorer som brukes av ATLAS og CMS er nødvendig for å holde styr på hva som skjer og gjøre følelse av alle data. Detektorene fungerer som et filter, plukke mulig signaturer av en ukjent partikkel ut av titusenvis av signaler opprettet hver milliondel av et sekund inne på gasspedalen. Fysikere vet nøyaktig hvor mange av hver type partikkel de bør forvente å se i data, og eventuelle overskytende over en viss terskel er en lovende hint av mulige nye fysikk (som en ny partikkel).
Når alt er sagt og gjort, vil disse signalene dukke opp uventet “humper” i dataene — som er grunnen til eksperimentell partikkelfysikk fysikere ofte kaller seg “bump jegere.” Tingen er, det er lett å se små “nupper” som egentlig ikke er der, statistisk gjenstander dukker opp hele tiden, spesielt i tidlig data går. Jo mer informasjon du har, jo bedre statistisk analyse. Hvis en liten “kul” vedvarer og blir større — signalet blir sterkere — det er mye mer sannsynlig at det er en underskrift av en bona fide ny partikkel.
Fysikere snakker om signalstyrken i form av “sigmas.” Som jeg skrev på Quanta for 2013 artikkelen på jakt etter mørk materie-partikler:
Et signal styrke er bestemt av antall standard statistiske avvik, eller sigmas, fra forventet bakgrunn. Denne beregningen er ofte sammenlignet med en mynt landing på hodet flere kaster på rad. En tre-sigma resultatet er en sterk antydning, tilsvarende mynten lander på hodet ni ganger på rad. Men mange slike signaler svekkes eller forsvinne som mer data kommer inn og de slår seg å være mindre statistisk signifikant. Gull standard for discovery er en fem-sigma resultat, grovt sammenlignes med å kaste 21 hoder på rad.
Bakgrunnsstøy og gjør oppgaven vanskeligere. “Et” signal ” er det du leter etter. ‘Bakgrunn’ er alt det andre som ligner dine signalet og gjør det vanskelig for deg å finne det,” partikkel fysiker Matteus Strassler skrev i juli 2011 blogginnlegg. Strassler er favorisert analogi er å prøve å finne to venner iført matchende lyse røde jakker i et overfylt rom med en rekke andre personer som også bruker lyse røde jakker. Noen ganger får du tilfeldig klynger av røde jakker er slitt av fremmede, forårsaker du å feilaktig konkludere med at du har funnet dine venner.
En av måtene fysikere på vakt mot disse typer falske positiver er ved å ansette hva som er kjent som “Ser andre Steder Effekt.” Du har også til å beregne sannsynligheten for at du ville se noe som helst i data — ikke bare vil du se en kul i det aktuelle stedet. Når effekten er priset inn i den statistiske betydningen av denne siste mulige signalet faller 1,2 sigma for CMS og 1,9 sigma for ATLAS.
Det beste du kan si, med andre ord, er at de nyeste ATLAS og CMS resultater er ufullstendige. På dette punktet, det kan gå begge veier. For eksempel, tidligere i år, ble det rapportert hint av en mulig tyngre fetter til Higgs-bosonet, samt glimt av en mulig supersymmetric partikkel kalt “den kanten.” Begge disse signalene forsvant i den siste analysen, etter flere data ble lagt til blandingen.
På den annen side, som Dennis Overbye observert i New York Times, for fire år siden denne uken, både CMS og ATLAS rapportert fristende hint av as-ennå uoppdagede Higgs-bosonet, med “humper” i samme dekning som den siste kandidat. Seks måneder senere, de hadde samlet nok data til å overskride den kritiske 5-sigma terskel og krav discovery.
Vi vil sannsynligvis vet at ved neste sommer, når både samarbeid forventes å presentere resultatene fra de nyeste dataene kjøre ved LHC. “Vi er i det interessant øyeblikk da alt vi kan si er at det kan være noe ekte og nytt i denne data, og vi må ta det veldig alvorlig,” Strassler skrev om den nye resultater. “Vi må også ta den statistiske analyser av disse humper på alvor, og de er ikke så lovende som disse humper se med øyet.”
Eller som Nima Arkani-Hamed, en teoretiker ved Institute for Advanced Study i Princeton, fortalte New York Times, “Mens vi er på langt nær bevegelse champagne selv vagt nær kjøleskapet, det er spennende.”