Ανακαλύπτοντας το Αναμενόμενο

Επιτρέψτε μου να σας πω την ιστορία δύο βραβείων Νόμπελ—καλά, σχεδόν. Το πρώτο Βραβείο για το οποίο θέλω να σας πω απονεμήθηκε στον Wilhelm Röntgen το 1901 για την ανακάλυψη των ακτίνων Χ. Οι λεπτομέρειες αυτής της ανακάλυψης είναι από μόνες τους συναρπαστικές, αλλά το κύριο σημείο για εμάς είναι ότι ο Röntgen δεν έψαχνε καθόλου για ακτίνες Χ. Αντίθετα, μελετούσε τη συμπεριφορά διαφόρων τύπων σωλήνων κενού. Η απροσδόκητη λάμψη ενός κομματιού του εξοπλισμού του που περιείχε βάριο τον έκανε να υποψιαστεί ότι κάτι ασυνήθιστο συνέβαινε. Ήταν στη Στοκχόλμη για να παραλάβει το μετάλλιό του μέσα σε έξι χρόνια.

Το δεύτερο βραβείο Νόμπελ για το οποίο θέλω να σας πω είναι διαφορετικό από δύο σημαντικούς τρόπους. Πρώτον, δεν έχει απονεμηθεί ακόμα, και μπορεί να μην έχει ποτέ. Δεύτερον, περιλαμβάνει αυτό που είναι, κατά κάποιο τρόπο, το αντίθετα μιας απροσδόκητης ανακάλυψης. Οι εμπλεκόμενοι επιστήμονες ήξεραν τι έψαχναν:ένα εξαιρετικά σπάνιο σωματίδιο που παράγεται όταν δύο πρωτόνια συνθλίβονται μεταξύ τους. Στην πραγματικότητα, μόνο μία φορά σε περίπου 10 δισεκατομμύρια συγκρούσεις συμβαίνει αυτό το σωματίδιο. Ως αποτέλεσμα, πέρα ​​από το να λάβουν υπόψη μια απροσδόκητη πηγή δεδομένων όπως το Röntgen, πέταξαν το 99,995 τοις εκατό των ακατέργαστων δεδομένων τους επειδή ήταν πολύ ογκώδη για να καταγραφούν. Μιλάω για την ανακάλυψη, στις 4 Ιουλίου 2012, του μποζονίου Higgs.

Το Higgs αντιπροσώπευε μια από τις πιο σημαντικές ανακαλύψεις της φυσικής εδώ και δεκαετίες:το τελευταίο κομμάτι του λεγόμενου Καθιερωμένου Μοντέλου της Φυσικής των Σωματιδίων, το οποίο περιγράφει τα στοιχειώδη σωματίδια και τις αλληλεπιδράσεις τους. Ήταν επίσης ένας θρίαμβος της μεγάλης επιστήμης. Το πείραμα Higgs στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN, τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Πυρηνικής Έρευνας κοντά στη Γενεύη της Ελβετίας, παρήγαγε δεκάδες petabyte δεδομένων, επιδεικνύοντας μια υπολογιστική ικανότητα πρωτοφανή στην ιστορία της σωματιδιακής φυσικής. Ήταν θετική απόδειξη ότι η επιστήμη που καθοδηγείται από μεγάλα δεδομένα θα μπορούσε να επεκτείνει τη σφαίρα παρατήρησής μας με σημαντικούς τρόπους. Αλλά, απαιτώντας από τους επιστήμονες να ξεκινήσουν πειράματα με μια πρόχειρη ιδέα για το τι ψάχνουν, άλλαξε επίσης τον τρόπο με τον οποίο σκεφτόμαστε τυχαίες ανακαλύψεις, του τύπου που οδήγησαν όχι μόνο σε ακτίνες Χ, αλλά και σε ποζιτρόνια, υπεραγωγούς και το κλασματικό κβαντικό φαινόμενο Hall; Η απάντηση είναι λεπτή.

Η παρατήρηση ενός μποζονίου Higgs απαιτεί τεράστια συλλογή δεδομένων, για τρεις απλούς λόγους:Πρώτον, παράγεται από τη σύγκρουση πρωτονίων μεταξύ τους, αλλά η συντριπτική πλειονότητα των συγκρούσεων (όλες εκτός από περίπου μία στα 10 δισεκατομμύρια) αποτυγχάνουν να παράγουν ένα Higgs. Δεύτερον, μόλις παραχθεί ένα μποζόνιο Higgs, τα προϊόντα διάσπασής του μπορεί να θαφτούν σε ένα σπρέι παρόμοιων σημάτων που προκύπτουν από τη σύγκρουση και μπορεί να μην γίνουν αντιληπτά. Τέλος, η κοινότητα της σωματιδιακής φυσικής απαιτεί ένα επίπεδο βεβαιότητας «πέντε σίγμα» πριν διεκδικήσει μια ανακάλυψη (που σημαίνει ότι οι πιθανότητες το παρατηρούμενο σήμα να είναι μια στατιστική ατυχία είναι 0,005 τοις εκατό ή λιγότερο). Αυτό είναι ένα εντυπωσιακό πρότυπο—αν κρατούσαμε τις καταγεγραμμένες ψήφους των προεδρικών εκλογών στις ΗΠΑ με αυτό το πρότυπο ακρίβειας, μπορεί να μην μάθουμε ποτέ το αποτέλεσμα εκλογών ή θα μπορούσαμε να κολλήσουμε σε μια αόριστη διαδικασία επανακαταμέτρησης.

Ένας πρόχειρος υπολογισμός δείχνει ότι ακόμη και για την εξαιρετικά υψηλή πυκνότητα συγκρουόμενων δεσμών πρωτονίων που κυκλοφορούν 12.000 φορές το δευτερόλεπτο γύρω από τον LHC, ένας ρεαλιστικός ρυθμός παραγωγής μποζονίου Higgs έχει ως αποτέλεσμα να παράγεται μόνο ένα μποζόνιο Higgs κάθε 10 δευτερόλεπτα. Αν και αυτό μπορεί να ακούγεται πολύ, δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε απευθείας το Higgs. Μόλις δημιουργηθεί, το Higgs διασπάται σε μια ποικιλία από «κοινά» ζεύγη σωματιδίων. Αυτά μπορεί να περιλαμβάνουν:κουάρκ βυθού και τα αντι-κουάρκ τους, μποζόνια W, γκλουόνια, ταύς, μποζόνια Z, κουάρκ γοητείας και ζεύγη φωτονίων. Αυτά τα κοινά σωματίδια είναι αυτά που παρατηρούν πραγματικά οι ανιχνευτές (αν και μερικά από αυτά διασπώνται επίσης σε ηλεκτρόνια, μιόνια και φωτόνια). Το πρόβλημα είναι ότι αυτά τα ίδια προϊόντα διάσπασης παράγονται επίσης από μια μακρά λίστα άλλων αλληλεπιδράσεων, συμπεριλαμβανομένης της άμεσης παραγωγής πίδακες κουάρκ, μποζονίων W και μποζονίων Ζ. Αυτοί οι τύποι "σημάτων παρασκηνίου" είναι πάνω από δέκα φορές μεγαλύτερη από την ισχύ του σήματος Higgs.

Αυτό κάνει το μποζόνιο Higgs την παροιμιώδη βελόνα σε μια κίτρινη θημωνιά, με μια συστροφή. Αντί για βελόνα, φανταστείτε ότι ψάχνουμε για πράσινο γρασίδι κομμένο από ένα συγκεκριμένο χωράφι (ας το ονομάσουμε "χωράφι Χιγκς") που είναι τόσο όμορφα περιποιημένο που κάθε λεπίδα έχει ακριβώς το ίδιο μήκος - ας πούμε, 2,5 ίντσες. Επίσης, διάσπαρτα σε όλη τη θημωνιά είναι λουλούδια, ζιζάνια και πράσινο γρασίδι κομμένο από πολλά διαφορετικά χωράφια, μερικά από τα οποία δεν τα φροντίζουμε (ας τα ονομάσουμε «χωράφια φόντου») και επομένως έχουν όλα τα πιθανά μήκη. Πώς θα μπορούσατε να αποδείξετε ότι η θημωνιά περιείχε πράσινο γρασίδι από το χωράφι Χιγκς—και επομένως ότι υπήρχε το χωράφι Χιγκς;

Αυτό που θα κάναμε εμείς οι φυσικοί είναι να κοσκινίσουμε γρήγορα τη θημωνιά και να πετάξουμε τα ζιζάνια και τον κίτρινο σανό, αφήνοντας πράσινες λεπίδες χόρτου που θα τακτοποιούσαμε κατά μέγεθος. Αυτό θα μας επέτρεπε να παρατηρήσουμε μια περίσσεια λεπίδων 2,5 ιντσών και να συμπεράνουμε ότι υπάρχει το πεδίο Higgs. Τώρα, έχοντας κατά νου την ιστορία του Röntgen και την ανακάλυψή του για τις ακτίνες Χ, μπορεί να μπούμε στον πειρασμό να προσπαθήσουμε να κρατήσουμε όλα τα ζιζάνια, το σανό και τα λουλούδια. Τελικά, ποιος ξέρει τι άλλη φυσική μπορεί να περιέχει και σε ποιες τυχαίες ανακαλύψεις μπορεί να οδηγήσει;

Για να κατανοήσουμε γιατί δεν μπορούμε να διατηρήσουμε όλα αυτά τα δεδομένα, εξετάστε τι τα δημιουργεί. Ο ανιχνευτής ATLAS είναι ένα από τα μεγαλύτερα επιστημονικά όργανα που κατασκευάστηκαν ποτέ:Ένας κύλινδρος ύψους 15 ορόφων και οκτώ ορόφων σε διάμετρο, γεμάτος με υγρό αργό και με πολύ μεγάλα μαγνητικά πεδία, το ATLAS παράγει μια εικόνα 100 megapixel κάθε 50 νανοδευτερόλεπτα. Εάν ήμασταν ρυθμισμένοι να διατηρούμε όλα αυτά τα δεδομένα, θα χρειαζόταν να καταγράψουμε περίπου 40 terabyte δεδομένων ανά δευτερόλεπτο. Για να το θέσουμε αυτό σε προοπτική, αυτό θα ήταν σαν να καταγράφουμε τέσσερις φορές τη συνολική χωρητικότητα του Διαδικτύου στον κόσμο για δίσκους, συνεχώς, για τη διάρκεια του πειράματος - η οποία είναι μια δεκαετία ή περισσότερο.

Αντίθετα, καίμε το σανό. Τα περισσότερα —στην πραγματικότητα, σχεδόν όλα— από τα δεδομένα από το πείραμα Higgs απορρίπτονται ως μη ενδιαφέροντα. Αυτό σημαίνει ότι δεν μπορούμε να κάνουμε τυχαίες ανακαλύψεις; Οχι απαραίτητα. Προσπαθούμε σκληρά να κρατήσουμε οτιδήποτε φαίνεται ενδιαφέρον. Για να γίνει αυτό έξυπνα, όλα τα πειράματα φυσικής μεγάλων σωματιδίων χρησιμοποιούν ένα σύστημα «σκανδάλης» που αξιολογεί γρήγορα αν αξίζει να διατηρηθεί οποιαδήποτε δεδομένη εικόνα. Είναι μάλλον σαν να ρίχνετε μια γρήγορη ματιά στην ψηφιακή φωτογραφία που μόλις τραβήξατε για να δείτε πώς έγινε. Το σύστημα σκανδάλης αποτελείται από μια ένθετη σειρά ολοένα πιο εξελιγμένων και αντίστοιχα πιο αργών αλγορίθμων που εξαλείφουν σταδιακά τις μη ενδιαφέρουσες εικόνες.

Χρησιμοποιώντας εξελιγμένες προσομοιώσεις ανιχνευτών, δοκιμάζουμε την αποτελεσματικότητα αυτών των αλγορίθμων για να βεβαιωθούμε ότι δεν απορρίπτουν ενδιαφέρουσες εικόνες. Αυτό δεν είναι πάντα εύκολο. Για παράδειγμα, εξετάστε τις ακόλουθες δύο εικόνες.

Η εικόνα στα αριστερά είναι δύο κουάρκ που παράγονται σε μια σύγκρουση πρωτονίου-πρωτονίου, η οποία είναι πολύ συνηθισμένη και όχι ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα. Τα κουάρκ μετατρέπονται σε «πίδακες» σωματιδίων που αντιπροσωπεύονται από τους δύο κίτρινους πύργους. Η δεξιά εικόνα δείχνει μια διάσπαση του μποζονίου Ζ σε ηλεκτρόνιο και ποζιτρόνιο (το αντισωματίδιο ενός ηλεκτρονίου), το οποίο είναι πολύ πιο σπάνιο και πολύ πιο ενδιαφέρον. Θα μπορούσε να είναι ένα σημάδι απροσδόκητης φυσικής, επειδή υποδηλώνει ότι το μποζόνιο Ζ είναι τόσο βαρύ όσο 90 πρωτόνια (στην πραγματικότητα δεν διαφέρει πολύ από τη μάζα ενός μποζονίου Higgs). Αλλά σε μια πρόχειρη εξέταση, οι δύο εικόνες φαίνονται πολύ παρόμοιες:δύο κίτρινοι πύργοι.

Ένας καλός αλγόριθμος θα μπορεί να επιλέξει την εικόνα στα δεξιά ως ενδιαφέρουσα και να τη διατηρήσει, ενώ θα απορρίψει την άλλη. Θα μπορούσε να παρατηρήσει ότι οι πύργοι της αριστερής εικόνας είναι απλωμένοι, ενώ αυτοί στη δεξιά εικόνα είναι λεπτοί σαν μολύβι. Ή ότι η αριστερή εικόνα έχει έναν πίδακα μέσα της και η δεξιά εικόνα έχει ένα ηλεκτρόνιο μέσα της. Αυτές οι λεπτές διαφορές μπορούν να εντοπιστούν με τον υπολογισμό της μάζας των αρχικών σωματιδίων προ της διάσπασης με βάση την ενέργεια και την κατεύθυνση των τροχιών διάσπασης σε κάθε σύνολο δεδομένων.

Είμαστε σε θέση να πραγματοποιήσουμε αναλύσεις όπως αυτή με τεράστια υπολογιστική ισχύ:Περίπου ένα δισεκατομμύριο megaflops ισχύος αφιερώνονται μόνο στο φιλτράρισμα. Και, για την ανακάλυψη του Higgs, λειτούργησε υπέροχα. Μετά το φιλτράρισμα, δημιουργήσαμε ένα τεράστιο δίκτυο υπολογιστών με περίπου 100.000 επεξεργαστές διανεμημένους σε υπολογιστικά κέντρα σε όλο τον κόσμο. Για κάθε σύγκρουση, υπολογίσαμε τη μάζα του μητρικού σωματιδίου από τη συνδυασμένη μάζα των παρατηρούμενων σωματιδίων διάσπασης (μεταξύ άλλων ποσοτήτων). Στις περισσότερες περιπτώσεις, κάναμε λάθος που το κάναμε, επειδή τα σωματίδια διάσπασης στην πραγματικότητα δεν προέρχονταν από έναν μόνο γονέα. Αυτό σημαίνει ότι η μάζα που υπολογίσαμε ήταν ουσιαστικά τυχαία, παράγοντας μια κατανομή φόντου στις μετρήσεις μας. Περιστασιακά, ωστόσο, τα παρατηρούμενα σωματίδια διάσπασης προέρχονταν από ένα μονογονικό σωματίδιο, όπως ένα μποζόνιο Higgs που διασπάται σε δύο φωτόνια. Συσσωρεύοντας αρκετά δεδομένα, είδαμε ένα «χτύπημα» στη μοναδική μάζα του μποζονίου Higgs, που βρίσκεται πάνω από μια ομαλή πτώση κατανομής υποβάθρου από όλα τα «λάθος» ζεύγη για τα οποία είχαμε υπολογίσει μια μάζα. Αυτό το χτύπημα ήταν σε μάζα 125 GeV/c, όπως φαίνεται παρακάτω.

Το φιλτράρισμα μη ενδιαφέροντων δεδομένων, λοιπόν, είναι δύσκολο, αλλά λειτουργεί. Αλλά υπάρχει ένα ακόμη πιο δύσκολο ερώτημα, και αυτό είναι να αποφασίσουμε τι ακριβώς σημαίνει «χωρίς ενδιαφέρον». Σίγουρα, τα μεγάλα ενεργειακά κοιτάσματα είναι ενδιαφέροντα (οι κίτρινοι πύργοι στο σχήμα 2), γιατί υποδηλώνουν την παρουσία σπάνιων σωματιδίων. Η ενέργεια που λείπει είναι επίσης ενδιαφέρουσα (θυμηθείτε ότι η διατήρηση της ενέργειας είναι βασική αρχή της φυσικής), επειδή υποδηλώνει την ύπαρξη σωματιδίων που διέφυγαν από τον ανιχνευτή μας χωρίς να αφήσουν ίχνος. Αυτά θα μπορούσαν να είναι φανταστικά νετρίνα ή, ακόμη πιο συναρπαστικά, υπερσυμμετρικά σωματίδια που έχει υποτεθεί ότι υπάρχουν, αλλά δεν έχουν ακόμη παρατηρηθεί. Και οι αποδείξεις προϊόντων διάσπασης (ηλεκτρόνια, φωτόνια, μιόνια και ούτω καθεξής) θεωρούνται ενδιαφέρουσες επειδή μπορεί να είναι το αποτέλεσμα νέων, ακόμη άγνωστων σπάνιων σωματιδίων.

Αλλά όλα αυτά τα «ενδιαφέροντα» γεγονότα ορίζονται μέσα σε ένα συγκεκριμένο πλαίσιο κατανόησης. Αν ζητούσαμε από τον Röntgen να γράψει όλα τα πιθανά ενδιαφέροντα αποτελέσματα του πειράματός του του 1901, ο σπινθηρισμός ενός πειραματικού συστατικού βαρίου από έκθεση σε ακτίνες Χ δεν θα ήταν στη λίστα. Ομοίως, είναι πιθανό τα εκατομμύρια petabyte δεδομένων που απορρίπτονται από τον LHC να περιέχουν ολοκαίνουργια φυσική που αγνοούμε. Μια νέα και απροσδόκητη διάσπαση σωματιδίων θα μπορούσε να πεταχτεί έξω από τη σκανδάλη εάν ήταν πολύ περίεργο ή απατηλά συνηθισμένο.

Στη σφαίρα του υπερβολικά παράξενου μπορεί να είναι κάτι σαν απόδειξη για την παραβίαση της διατήρησης της ενέργειας, όπου τα πρωτόνια συγκρούονται και μετά εξαφανίζεται μέρος ή όλη η ενέργειά τους - σίγουρα όχι κάτι που θα περίμενα, αλλά και κάτι που θα ήταν πολύ δύσκολο ποτέ παρατηρήστε με τα τρέχοντα συστήματα σκανδάλης. Αυτό συμβαίνει επειδή δεν θα υπήρχε υπογραφή για αναζήτηση. Εάν παρακολουθούσαμε προσεκτικά τον αριθμό των συγκρούσεων που περιμέναμε, μόνο για να διαπιστώσουμε ότι δεν ήταν τόσο πολλές όσο περιμέναμε, θα μπορούσαμε να καταλάβουμε αυτές τις συγκρούσεις που λείπουν, αλλά αυτή είναι μια πολύ δύσκολη ή ίσως και αδύνατη μέτρηση. Επίσης, δύσκολο να πιαστεί κάποιος νέος τύπος σωματιδίου που έχει σχετικά μεγάλη διάρκεια ζωής προτού διασπαστεί. Αυτό θα σήμαινε ότι θα διασπαστεί σε ορατά σωματίδια στη μέση του ανιχνευτή μας. Τα συστήματα σκανδάλης μας έχουν σχεδιαστεί για να εστιάζουν σε σωματίδια που δείχνουν πίσω στο κέντρο του ανιχνευτή και όχι σε αυτά που αναδύονται απροσδόκητα στη μέση.

Στο πολύ συνηθισμένο μέτωπο, ας επιστρέψουμε στην αναλογία της θημωνιάς. Ας υποθέσουμε ότι μια περίσσεια κίτρινου σανού με μήκος 2,5 ίντσες σημαίνει κάτι (θα σας έλεγα, αλλά δεν ξέρω!). Λοιπόν, να θυμάστε ότι για να αποφύγουμε το σχεδόν αδύνατο έργο να κοσκινίσουμε ολόκληρη τη θημωνιά χόρτου, κάψαμε όλο το κίτρινο σανό. Επομένως, μια τέτοια τυχαία ανακάλυψη περίσσειας λεπίδων κίτρινου σανού 2,5 ιντσών θα ήταν αδύνατη, εκτός εάν κάποιος μας είχε πει εκ των προτέρων ότι το κίτρινο καλαμάκι 2,5 ιντσών ήταν σημαντικό, οπότε δεν θα το είχαμε πετάξει.

Από πολλές απόψεις, αυτή η ένταση μεταξύ της επιθυμίας να καταγράψεις τα πάντα από τη μια πλευρά και της ανάγκης να είσαι πρακτικός από την άλλη, δεν είναι κάτι καινούργιο. Είναι χαρακτηριστικό οποιουδήποτε πειράματος, από τη μοναχική επιστήμονα που γράφει δεδομένα στο τετράδιο του εργαστηρίου της μέχρι τη διεθνή ομάδα χιλιάδων που χρησιμοποιούν υπερυπολογιστές. Αλλά αυτή η ένταση ενισχύεται σε πρωτοφανή επίπεδα από πειράματα μεγάλων δεδομένων, όπως αυτά που διεξάγονται στο LHC. Είναι πιο δύσκολο να «κοιτάξουμε χωρίς θεωρία» σε αυτά τα πειράματα—να εισαχθούν τυχαία στην ολοκαίνουργια επιστήμη. Αυτό μπορεί να είναι εντάξει εάν οι θεωρίες σας είναι πολύ λανθασμένες, έτσι ώστε τα πειράματά σας να είναι άδεια και να αναγκαστείτε να επιστρέψετε στον πίνακα σχεδίασης. Αλλά τι γίνεται αν οι θεωρίες σας είναι ελάχιστα λανθασμένες —όσες είναι και πολλές θεωρίες; Κοιτάμε κάτω από το φανοστάτη γιατί εκεί είναι το φως και έχουμε τα μάτια μας ανοιχτά για να ανακαλύψουμε οτιδήποτε καινούργιο—αλλά τι μπορεί να κρύβεται στις σκιές;

Ο Michael Tuts είναι καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο Columbia από το 1983. Είναι ένας πειραματικός φυσικός στοιχειωδών σωματιδίων που μελετά τις θεμελιώδεις δυνάμεις και τα σωματίδια. Επί του παρόντος είναι ο Διευθυντής Επιχειρησιακού Προγράμματος για το σώμα των ΗΠΑ του πειράματος ATLAS στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στο CERN, επιβλέποντας την υποστήριξη για περίπου 500 φυσικούς.