Wie man sich nicht von Physik täuschen lässt

Teilchenphysik und Astrophysiker verwenden eine Vielzahl von Werkzeugen, um fehlerhafte Ergebnisse zu vermeiden

In den 1990er Jahren schien bei einem Experiment in Los Alamos, etwa 55 km nordwestlich der Hauptstadt von New Mexico, etwas Seltsames entdeckt zu werden.

Wissenschaftler haben am Los Alamos National Laboratory des Energieministeriums von Los Angeles einen Neutrino-Detektor für Flüssigszintillatoren entwickelt, um Neutrinos zu zählen, bei denen es sich um drei Arten von Partikeln handelt, die selten mit anderen Stoffen interagieren. Auf LSND suchten sie nach Hinweisen auf Neutrinooszillationen - dem Übergang von Neutrinos von einem Typ zum anderen.

In mehreren früheren Experimenten wurden Anzeichen solcher Schwingungen entdeckt, woraus folgt, dass Neutrinos kleine Massen haben, die nicht im Standardmodell , der Haupttheorie der Teilchenphysik, enthalten sind. Wissenschaftler am LSND wollten diese frühen Messungen erneut untersuchen.

Bei der Untersuchung einer fast reinen Quelle des gleichen Neutrino-Typs - Myon-Neutrino - am LSND fanden wir Hinweise auf Schwingungen in einem anderen Neutrino-Typ, dem elektronischen. Im Detektor wurden jedoch viel mehr Neutrinos nachgewiesen als vorhergesagt, was zu einem weiteren Rätsel führte.

Dieser Überschuss könnte ein Zeichen dafür sein, dass Neutrinos nicht zwischen drei, sondern zwischen vier verschiedenen Typen oszillieren, was die Existenz eines neuen Neutrino-Typs bedeuten würde. Sterile Theoretiker machten einen solchen Vorschlag, winzige Neutrino-Massen in das Standardmodell aufzunehmen.

Oder es könnte eine andere Erklärung geben. Die Frage ist was? Und wie können sich Wissenschaftler vor Fehlern in der Physik schützen?

Etwas völlig Neues

Viele Physiker suchen nach Ergebnissen, die über das Standardmodell hinausgehen. Sie entwickeln Experimente, um Vorhersagen zu testen. Wenn sie Inkonsistenzen feststellen, kann dies möglicherweise die Entdeckung von etwas völlig Neuem bedeuten.

"Erhalten wir die Vorhersagen von Berechnungen unter Verwendung des gleichen Standardmodells?" Sagt Paris Sfikas, ein Forscher am CERN. „Wenn ja, dann haben wir nichts Neues. Wenn nicht, dann die folgende Frage: „Liegt das Ergebnis innerhalb der Fehlergrenzen unserer Schätzungen? Könnte das Ergebnis auf einen Fehler in den Schätzungen zurückzuführen sein? "Und so weiter und so fort."

Eine große Liste möglicher Faktoren kann Wissenschaftler glauben machen, dass sie eine Entdeckung gemacht haben. Ein wichtiger Teil der wissenschaftlichen Forschung ist die Identifizierung und Erfindung von Möglichkeiten, um zu überprüfen, was tatsächlich passiert.

"Die Messlatte für Entdeckungen in der Gemeinde ist zu Recht sehr hoch", sagt Bonnie Fleming, Physikerin an der Yale Neutrino University. "Es braucht Zeit, um sich davon zu überzeugen, dass wir wirklich etwas entdeckt haben."

Im Fall der LSND-Anomalie fragen sich Wissenschaftler, ob dies auf nicht berücksichtigte Hintergrundereignisse zurückzuführen ist oder ob ein mechanisches Problem zu einem Messfehler geführt hat.

Wissenschaftler haben nachfolgende Experimente entwickelt, um zu sehen, ob sie das Ergebnis reproduzieren können. Ein MiniBooNE- Experiment in Fermilab berichtete kürzlich über Anzeichen eines ähnlichen Überschusses. In anderen Experimenten, zum Beispiel in MINOS, die im selben Fermilab durchgeführt wurden, wurde ein solcher Überschuss nicht gefunden, was die Suche nur erschwert.

"[LSND und MiniBooNE] messen eindeutig den Überschuss an Ereignissen im Vergleich zur erwarteten Anzahl", sagte die MINOS-Sprecherin Jenny Thomas, Physikerin am University College London. "Sind diese Signale wichtig oder handelt es sich nur um einen falsch eingeschätzten Hintergrund?" Daran arbeiten sie. “

Erwartungsmanagement

Die meiste Arbeit zum Verstehen des Signals findet statt, bevor es empfangen wird. Bei der Entwicklung eines Experiments müssen die Forscher verstehen, welche physikalischen Prozesse das gewünschte Signal abgeben oder imitieren können. Diese Ereignisse werden häufig als „Hintergrund“ bezeichnet.

Physiker können den Hintergrund durch Simulationen oder Experimente vorhersagen. Einige Arten von Hintergrunddetektoren können durch "Nulltests" bestimmt werden, beispielsweise die Richtung des Teleskops an einer leeren Wand. Andere Arten von Hintergrund können mithilfe von Datentests, „Klappmessertests“, bestimmt werden, wenn die Daten in Untergruppen unterteilt sind - beispielsweise Daten von Montag und Daten von Dienstag -, die per Definition dieselben Ergebnisse liefern sollten. Inkonsistenzen warnen Wissenschaftler vor einem Signal, das nur in einer Untergruppe auftritt.

Forscher, die nach einem bestimmten Signal suchen, versuchen besser zu verstehen, welche anderen physikalischen Prozesse das gleiche Signal im Detektor liefern können. Zum Beispiel untersucht MiniBooNE einen Strahl, der hauptsächlich aus Myonenneutrinos besteht, um zu messen, wie oft sie in andere Typen schwingen. Aber manchmal nimmt er zufällige Elektronenneutrinos auf und es sieht so aus, als hätten sich Myonenneutrinos in sie verwandelt. Darüber hinaus können andere physikalische Prozesse ein Signal von einem Elektronenneutrino simulieren.

"Wir wissen, dass wir wegen ihnen getäuscht werden, deshalb müssen wir alles tun, um zu verstehen, wie viele es geben können", sagt Fleming. "Und der Überschuss, den wir gefunden haben, sollte zu diesen Ereignissen hinzugefügt werden."

Menschen sind noch stärker instabil als ein Partikelstrahl. Die Wissenschaft versucht, Fakten objektiv zu messen, aber dieser Prozess wird von einer Gruppe von Menschen durchgeführt, deren Handlungen unter Voreingenommenheit, persönlichen Problemen und Emotionen leiden können. Eine voreingenommene Meinung über das Ergebnis eines Experiments kann die Arbeit eines Forschers unmerklich beeinflussen.

"Ich denke, es gibt ein solches Stereotyp, dass Wissenschaftler so emotionslose, kalte und berechnende Beobachter der Realität sind", sagt Brian Keating, Astrophysiker an der Universität von Kalifornien in San Diego, Autor des Losing Nobel Prize, der beschreibt, wie Sie sich engagieren möchten Eine Belohnung, die zu einer Ablenkung führt, kann den Wissenschaftler vom richtigen Verhalten ablenken. „Tatsächlich beteiligen wir uns an diesen Prozessen. Es gibt soziologische Momente, die Menschen betreffen. Wissenschaftler sind trotz Stereotypen genau die gleichen Leute. "

Dies zu erkennen und Methoden zu verwenden, die Verzerrungen beseitigen, ist besonders wichtig, wenn eine Aussage langjähriges Wissen umkehrt - zum Beispiel unser Verständnis von Neutrinos. In solchen Fällen halten Wissenschaftler an einem bekannten Aphorismus fest: Notfallberichte erfordern außergewöhnliche Beweise.

„Wenn Sie an Ihrem Haus vorbeigehen und ein Auto sehen, denken Sie vielleicht:„ Dies ist ein Auto “, sagt John Kanner, ein Forscher von Caltech. "Aber wenn Sie einen Drachen sehen, könnten Sie denken:" Aber ist es wirklich ein Drache? " Bin ich sicher, dass dies ein Drache ist? Sie benötigen Beweise für ein anderes Niveau. "

Drache oder Entdeckung?

Physiker haben schon früher unter Drachen gelitten. Zum Beispiel kündigte der Wissenschaftler Joe Weber 1969 die Entdeckung von Gravitationswellen an: Wellen auf dem Raum-Zeit-Gefüge, die Albert Einstein 1916 vorausgesagt hatte. Eine solche Entdeckung, die viele für unmöglich hielten, würde den Grundsatz der Relativitätstheorie beweisen. Weber kannte sofort Ruhm, aber nur bis andere Physiker entdeckten, dass sie seine Ergebnisse nicht reproduzieren konnten.

Die falsche Entdeckung schockierte die Gemeinschaft der Forscher von Gravitationswellen, die in den nächsten Jahrzehnten solche Ankündigungen fürchteten.

Als das laserinterferometrische Gravitationswellenobservatorium LIGO 2009 mit der Arbeit für das nächste Experiment begann, entwickelte die Zusammenarbeit von Wissenschaftlern einen neuen Weg, um sicherzustellen, dass seine Mitglieder skeptisch gegenüber ihren Ergebnissen sind. Sie entwickelten eine Methode zum Hinzufügen eines falschen, simulierten Signals zum Detektordatenstrom, ohne die meisten der 800 Forscher zu warnen. Sie nannten es "blinde Infusion". Alle anderen Community-Mitglieder wussten, dass eine Infusion möglich, aber nicht garantiert war.

"Wir haben seit 30 Jahren keine Signale mehr erkannt", sagte Kanner, Mitglied der LIGO-Zusammenarbeit. - Wie klar oder offensichtlich sollte ein Zeichen sein, dass jeder daran glaubt? Dies hat uns dazu gebracht, uns stärker auf Algorithmen, Statistiken und Verfahren zu stützen sowie die Soziologie zu überprüfen und zu prüfen, ob wir eine Gruppe von Menschen davon überzeugen können. "

Ende 2010 erhielt das Team die Warnung, auf die es wartete: Computer erkannten das Signal. Sechs Monate lang beschäftigten sich Hunderte von Wissenschaftlern mit Analysen und kamen schließlich zu dem Schluss, dass das Signal Gravitationswellen ähnlich war. Sie schrieben eine Arbeit mit einer detaillierten Beschreibung der Beweise, und mehr als 400 Menschen stimmten dafür. Und dann sagte ihnen einer der Projektmanager, dass dies alles manipuliert wurde.

Es mag leer erscheinen, so viel Zeit damit zu verbringen, ein solches künstliches Signal abzutasten und zu untersuchen, aber der Test hat so funktioniert, wie er sollte. Diese Übung zwang die Wissenschaftler, alle Methoden auszuarbeiten, die erforderlich sind, um das tatsächliche Ergebnis genau zu untersuchen, bevor es überhaupt erscheint. Dies zwang die Zusammenarbeit, neue Tests und Ansätze zu entwickeln, um die Zuverlässigkeit der Erkennung eines möglichen Signals bereits vor einem realen Ereignis zu demonstrieren.

„In gewisser Weise wurde dieses System so konzipiert, dass es fair ist“, sagt Kanner. - Jeder hat bis zu einem gewissen Grad seine eigenen Vermutungen oder Erwartungen bezüglich der Ergebnisse dieses Experiments. Ein Teil der Idee der blinden Infusion bestand darin, diese Tendenz anzugehen, damit unsere Meinung darüber, was die Natur herausgeben sollte, keine so wichtige Rolle spielt. “

Und all diese harte Arbeit hat sich gelohnt: Im September 2015, als das eigentliche Signal die LIGO-Detektoren erreichte, wussten die Wissenschaftler, was zu tun war. 2016 kündigte die Zusammenarbeit den ersten bestätigten direkten Nachweis von Gravitationswellen an. Ein Jahr später gewann diese Veranstaltung den Nobelpreis.

Keine einfachen Antworten

Und obwohl Blindinjektionen für eine Gemeinde arbeiteten, die Gravitationswellen studierte, hat jeder Bereich der Physik seine eigenen Schwierigkeiten.

Physiker, die Neutrinos untersuchen, haben eine extrem kleine Datenmenge, mit der sie arbeiten können, weil ihre Teilchen so selten interagieren. Daher verwenden NOvA- Experimente und Neutrinoexperimente im tiefen Untergrund solche riesigen Detektoren.

Astronomen haben noch weniger Proben: Sie haben nur ein Universum zu untersuchen, und es gibt keine Möglichkeit, Kontrollexperimente durchzuführen. Daher machen sie jahrzehntelange Beobachtungen und sammeln so viele Daten wie möglich.

Die Forscher des Large Hadron Collider haben genug Interaktionen, um sie zu untersuchen - jede Sekunde gibt es ungefähr 600 Millionen Ereignisse. Aufgrund der enormen Größe, Kosten und Komplexität der Technologie haben Wissenschaftler nur einen LHC gebaut. Daher gibt es im Collider mehrere verschiedene Detektoren, die die Arbeit des anderen testen können, indem sie dieselben Dinge auf unterschiedliche Weise mit Detektoren unterschiedlicher Struktur messen.

Und obwohl es viele Prinzipien zur Überprüfung der Ergebnisse gibt - es ist gut, das Experiment und seinen Kontext zu verstehen, Simulationen durchzuführen und zu überprüfen, ob sie mit den Daten übereinstimmen, alternative Erklärungen für das Ergebnis zu überprüfen - gibt es keine umfassende Liste von Überprüfungen, die jeder Physiker durchführen würde. Verschiedene Experimente verwenden unterschiedliche Strategien, die von Region zu Region und von Zeit zu Zeit variieren.

Wissenschaftler müssen alles tun, um das Ergebnis zu überprüfen, da er am Ende den Test von unabhängigen Gutachtern bestehen muss. Die Kollegen werden das neue Ergebnis bestreiten, es einer eigenen Analyse unterziehen, versuchen, alternative Interpretationen zu geben, und die Messungen auf andere Weise wiederholen. Besonders wenn es um Drachen geht.

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