Tidligere i denne uge, fysikere ved Large Hadron Collider meddelte, at de havde fundet forjættende spor af en mulig ny fundamental partikel — måske en fætter tungere af Higgs-partiklen, eller undvigende gravitonen, en quantum bærer af tyngdekraften.
De beviser, der kommer fra to forskellige, men komplementære, eksperimenter, der er kendt som CMS og ATLAS. Hverken rapporteret fund er solid nok til at hævde, discovery, men den kendsgerning, at begge eksperimenter se en svag antydning af en partikel, der på nøjagtig det samme sted i de data, der er lovende. Som Gizmodo ‘ s Jamie Condliffe rapporteret tidligere:
CMS-team har ordineret resultaterne af en statistisk signifikans på 2,6 sigma, mens ATLAS-holdet har 3.6 sigma. Disse sigma værdier er et mål for, hvor sandsynligt det er resultaterne, der skal repræsentere tilstedeværelsen af en hypotetisk partikel: for at blive betragtet som en “discovery” kræver en sigma værdi af fem, der svarer til en 1-i-3.5-million chance for, at resultatet bliver en simpel tilfældighed snarere en egentlig partikel. En værdi af tre anses for at være en “interessant” resultat, med en større chance for at blive en tilfældighed.
Det sagt, så er der stadig en stor sandsynlighed for, at netop dette signal vil forsvinde som LHC forskerne indsamle endnu flere data. Det sker hele tiden i partikel fysik — og dermed den malurt i bægeret, der er ramt af stort set enhver fysiker, der er blevet interviewet om det ikke er til at poppe champagne propper endnu.
For at få en bedre idé om, hvorfor dette sker, så lad os tage et nærmere kig på, hvordan LHC indsamler og analyserer data. Maskinen protoner kolliderer med hastigheder tæt på lysets hastighed, og disse højenergi kollisioner producere byger af partikler. Fysikere genkende partikler af elektroniske signaturer, de efterlader, i form af nukleare forfald mønstre. Kvarkerne findes kun til brøkdele af et sekund, før de henfalder til andre sekundære partikler. Da hver quark har mange forskellige måder af rådnende, der er flere mulige underskrifter, og hver skal undersøges for at bestemme, hvilke partikler, der var til stede på tidspunktet for kollisionen.
En kollision begivenhed med en foton par observeret af CMS-detektoren. Kilde: CERN
Sponsoreret
Det er derfor, de detektorer, der anvendes af ATLAS og CMS, der er nødvendige for at holde styr på, hvad der sker, og give mening for alle data. De detektorer, der fungerer som et filter, picking muligt underskrifter af en ukendt partikel ud af de titusinder af signaler skabt hver milliontedel af et sekund inde i acceleratoren. Fysikere ved præcist, hvor mange af hver slags partikel de skal forvente at se i data eventuelle overskydende over en bestemt tærskel, der er en lovende antydning af mulige nye fysik (ligesom en ny partikel).
Når alt er sagt og gjort, vil de signaler, der dukker op som en uventet “bump” i data — det er derfor, eksperimenterende partikel fysikere ofte kalder sig “bump jægere.” Sagen er den, at det er nemt at se de små “bump”, som ikke virkelig er der, statistiske artefakter, der dukker op hele tiden, især i begyndelsen af data, der kører. Jo flere data du har, jo bedre den statistiske analyse. Hvis et lille “bump” fortsætter og bliver større og større — signalet bliver stærkere — det er meget mere sandsynligt, at det er underskrevet af en bona fide ny partikel.
Fysikerne taler om signalstyrken i form af “sigmas.” Som jeg skrev i Kvanter for 2013 en artikel om jagten på mørkt stof-partikler:
Et signal styrke er bestemt af antallet af standard statistiske afvigelser, eller sigmas, fra den forventede baggrund. Denne variabel er ofte sammenlignet med en mønt lander på plat flere kast i træk. En tre-sigma resultatet er en stærk antydning, der svarer til mønten lander på plat ni gange i træk. Men mange af disse signaler svækkes eller forsvinde, efterhånden som flere data, der kommer ind, og de viser sig at være mindre statistisk signifikant. Guld standard for discovery er en fem-sigma resultat, der nogenlunde svarer til at kaste 21 hoveder i træk.
Baggrundsstøj gør opgaven mere vanskelig. “Et ‘signal’ er, hvad du leder efter. ‘Baggrund’ er alt andet, der ligner dit signal, og gør det svært for dig at finde det,” partikel fysiker Matthew Strassler skrev i juli 2011 blog-indlæg. Strassler er begunstiget analogi er at forsøge at finde to venner iført matchende lyse røde jakker i et overfyldt rum med en masse andre mennesker også iført lyse røde jakker. Nogle gange vil du få tilfældige klynger af røde jakker båret af fremmede, der forårsager, at du fejlagtigt konkluderer, at du har fundet dine venner.
En af de måder, som fysikere er med til at beskytte mod disse typer af falske positiver er ved at ansætte hvad der er kendt som “Se Andetsteds Effekt.” Du er også nødt til at beregne sandsynligheden for, at du ville se noget som helst i data — ikke bare, at du ville kunne se en bule i en bestemt beliggenhed. Når denne effekt er indregnet i den statistiske signifikans af denne seneste muligt signalet falder til 1,2 sigma for CMS og 1,9 sigma for ATLAS.
Det bedste, du kan sige, med andre ord, er, at de seneste ATLAS og CMS resultater er ikke entydige. På dette tidspunkt, at det kunne gå begge veje. For eksempel, tidligere i år, der blev rapporteret antydninger af et muligt tungere fætter til Higgs-partiklen, såvel som glimt af en mulig supersymmetriske partikel døbt “den kant.” Begge disse signaler forsvundet i den seneste analyse, efter at flere data blev tilføjet til mix.
På den anden side, som Dennis Overbye, der er observeret i New York Times, for fire år siden i denne uge, både CMS og ATLAS rapporterede vage antydninger af det som-endnu-uopdagede Higgs-partiklen, med “bump” i det samme signal interval som de nyeste kandidat. Seks måneder senere, de havde samlet nok data til at overskride den kritiske 5-sigma-tærskel og krav opdagelse.
Vi skal nok vide med sikkerhed, inden næste sommer, når begge samarbejder, der forventes at præsentere resultaterne fra de seneste data, der kører på LHC. “Vi er i det spændende øjeblik, hvor alt, hvad vi kan sige er, at der kan være noget fast og nye i disse data, og vi er nødt til at tage det meget alvorligt,” Strassler skrev om de nye resultater. “Vi er også nødt til at tage den statistiske analyser af disse bump alvorligt, og de er ikke så lovende som disse bump se med det blotte øje.”
Eller som Nima Arkani-Hamed, en teoretiker ved Institute for Advanced Study i Princeton, fortalte New York Times, “Mens vi er slet ikke i nærheden af at flytte champagne endnu uklart tæt på køleskabet, det er spændende.”