La física de partículas y los astrofísicos utilizan una variedad de herramientas para evitar resultados erróneos.
En la década de 1990, en un experimento en Los Alamos, a unos 55 km al noroeste de la capital de Nuevo México, algo extraño pareció ser descubierto.
Los científicos han desarrollado un
detector de neutrinos de centelleo líquido en el Laboratorio Nacional de Los Alamos del Departamento de Energía de Los Ángeles para contar los neutrinos, que son tres tipos de partículas que rara vez interactúan con otra materia. En LSND, buscaron evidencia de
oscilaciones de
neutrinos : la transición de neutrinos de un tipo a otro.
En varios experimentos anteriores, se descubrieron signos de tales oscilaciones, de lo que se deduce que los neutrinos tienen masas pequeñas que no están incluidas en el
Modelo Estándar , la teoría principal de la física de partículas. Los científicos de LSND querían volver a examinar esas primeras mediciones.
Al estudiar una fuente casi pura del mismo tipo de neutrino - muon neutrino - en LSND, encontramos evidencia de oscilaciones en otro tipo de neutrino, electrónico. Sin embargo, se detectaron muchos más neutrinos en el detector de lo previsto, lo que dio lugar a otro misterio.
Este exceso podría ser una señal de que los neutrinos no oscilan entre tres, sino entre cuatro tipos diferentes, lo que significaría la existencia de un nuevo tipo de neutrino,
estéril : los teóricos hicieron una propuesta para incluir pequeñas masas de neutrinos en el Modelo Estándar.
O podría haber otra explicación. La pregunta es qué? ¿Y cómo pueden los científicos protegerse de los errores físicos?
Algo completamente nuevo
Muchos físicos están buscando resultados que van más allá del modelo estándar. Vienen con experimentos para probar predicciones; Si encuentran alguna inconsistencia, esto podría significar el descubrimiento de algo completamente nuevo.
"¿Obtenemos cuáles son las predicciones de los cálculos, utilizando el mismo modelo estándar?" Dice Paris Sfikas, investigador del CERN. “Si es así, entonces no tenemos nada nuevo. Si no, entonces la siguiente pregunta: “¿El resultado está dentro de los límites de error de nuestras estimaciones? ¿Podría el resultado ser debido a un error en las estimaciones? "Y así sucesivamente".
Una gran lista de posibles factores puede hacer que los científicos crean que hicieron un descubrimiento. Una parte importante de la investigación científica es su identificación e invención de formas de verificar lo que realmente está sucediendo.
"El listón para el descubrimiento en la comunidad es muy alto, y con razón", dice Bonnie Fleming, física de la Universidad de Yale Neutrino. "Lleva tiempo convencernos de que realmente hemos descubierto algo".
En el caso de la anomalía LSND, los científicos se preguntan si esto se debió a eventos de fondo no contabilizados o si algún problema mecánico provocó un error en las mediciones.
Los científicos han desarrollado experimentos posteriores para ver si pueden reproducir el resultado. Un experimento de
MiniBooNE en
Fermilab informó recientemente signos de un exceso similar. En otros experimentos, por ejemplo, en
MINOS realizados en el mismo Fermilab, no se encontró tal exceso, lo que solo complica la búsqueda.
"[LSND y MiniBooNE] miden claramente el exceso de eventos en comparación con el número esperado", dijo la portavoz de MINOS Jenny Thomas, física del University College London. "¿Son importantes estas señales, o es solo un fondo mal juzgado?" En esto están trabajando ".
Gestión de expectativas
La mayor parte del trabajo de comprensión de la señal tiene lugar antes de que se reciba. Al desarrollar un experimento, los investigadores necesitan comprender qué procesos físicos pueden emitir o imitar la señal deseada, y estos eventos a menudo se denominan "antecedentes".
Los físicos pueden predecir el fondo a través de simulaciones o experimentos. Algunos tipos de detectores de fondo se pueden determinar mediante "pruebas cero", por ejemplo, la dirección del telescopio en una pared vacía. Se pueden determinar otros tipos de antecedentes utilizando pruebas de datos, "pruebas de cuchilla plegable", cuando los datos se dividen en subgrupos, por ejemplo, datos del lunes y datos del martes, que por definición deberían producir los mismos resultados. Cualquier inconsistencia advertirá a los científicos sobre una señal que aparece en un solo subgrupo.
Los investigadores en busca de una señal específica están tratando de comprender mejor qué otros procesos físicos pueden dar la misma señal en el detector. Por ejemplo, MiniBooNE estudia un haz que consiste principalmente en neutrinos muónicos para medir la frecuencia con la que oscilan en otros tipos. Pero a veces recoge neutrinos electrónicos aleatorios, y parece que los neutrinos muones se han convertido en ellos. Además, otros procesos físicos pueden simular una señal de un neutrino electrónico.
"Sabemos que seremos engañados por ellos, por lo que debemos hacer todo lo posible para comprender cuántos puede haber", dice Fleming. "Y el exceso que encontramos debe agregarse a estos eventos".
Los seres humanos son inestables incluso más fuertes que un rayo de partículas. La ciencia está tratando de medir objetivamente los hechos, pero este proceso lo lleva a cabo un grupo de personas cuyas acciones pueden sufrir sesgos, problemas personales y emociones. Una opinión sesgada sobre el resultado de un experimento puede afectar imperceptiblemente el trabajo de un investigador.
"Creo que existe un estereotipo de que los científicos son observadores de la realidad tan impasibles, fríos y calculadores", dice Brian Keating, astrofísico de la Universidad de California en San Diego, autor de The Losing Nobel Prize, que describe cómo quiere comprometerse Una recompensa que conduzca a una distracción puede distraer al científico del comportamiento correcto. “De hecho, participamos en estos procesos, hay momentos sociológicos que afectan a las personas. Los científicos, a pesar de los estereotipos, son exactamente las mismas personas ".
Reconocer esto y utilizar métodos que eliminen el sesgo es especialmente importante si una declaración revierte el conocimiento de larga data, por ejemplo, nuestra comprensión de los neutrinos. En tales casos, los científicos se adhieren a un aforismo bien conocido: las declaraciones de emergencia requieren evidencia extraordinaria.
"Si pasas junto a tu casa y ves un automóvil, podrías pensar:" Este es un automóvil ", dice John Kanner, un investigador de Caltech. "Pero si ves un dragón, podrías pensar:" ¿Pero es realmente un dragón? " ¿Estoy seguro de que esto es un dragón? Necesitará evidencia de un nivel diferente ".
Dragón o descubrimiento?
Los físicos han sufrido dragones antes. Por ejemplo, en 1969, el científico Joe Weber anunció el descubrimiento de ondas gravitacionales: ondas en la estructura del espacio-tiempo, predichas por Albert Einstein en 1916. Tal descubrimiento, que muchos consideraron imposible, probaría el principio clave de la teoría de la relatividad. Weber conoció la fama instantánea, pero solo hasta que otros físicos descubrieron que no podían reproducir sus resultados.
El falso descubrimiento conmocionó a la comunidad de investigadores de las ondas gravitacionales, que durante las siguientes décadas comenzaron a desconfiar de tales anuncios.
Por lo tanto, en 2009, cuando el observatorio de ondas gravitacionales interferométricas con láser
LIGO comenzó a funcionar para el próximo experimento, la colaboración de los científicos descubrió una nueva forma de asegurarse de que sus miembros se mostraran escépticos sobre sus resultados. Desarrollaron un método para agregar una señal simulada falsa al flujo de datos del detector, sin advertir a la mayoría de los 800 investigadores. Lo llamaron "infusión a ciegas". Todos los demás miembros de la comunidad sabían que una infusión era posible, pero no estaba garantizada.
"No hemos detectado ninguna señal en 30 años", dijo Kanner, miembro de la colaboración de LIGO. - ¿Qué tan claro u obvio debe ser un signo para que todos crean en él? Esto nos hizo apoyarnos más en algoritmos, estadísticas y procedimientos, así como en verificar la sociología y ver si podemos convencer a un grupo de personas de esto ".
A finales de 2010, el equipo recibió la advertencia que esperaban: las computadoras reconocieron la señal. Durante seis meses, cientos de científicos se dedicaron al análisis y finalmente concluyeron que la señal era similar a las ondas gravitacionales. Escribieron un trabajo con una descripción detallada de la evidencia, y más de 400 personas votaron para aprobarlo. Y luego uno de los gerentes de proyecto les dijo que todo esto estaba arreglado.
Pasar tal cantidad de tiempo para muestrear y estudiar una señal artificial de este tipo puede parecer vacío, pero la prueba funcionó como debería. Este ejercicio obligó a los científicos a desarrollar todos los métodos necesarios para estudiar de cerca el resultado real antes de que aparezca. Esto obligó a la colaboración a desarrollar nuevas pruebas y enfoques para demostrar la fiabilidad de detectar una posible señal incluso antes de un evento real.
"En cierto modo, este sistema fue diseñado para ser justo", dice Kanner. - Cualquiera, hasta cierto punto, tiene sus propias conjeturas o expectativas sobre los resultados de este experimento. Parte de la idea de la infusión a ciegas era abordar este sesgo para que nuestra opinión sobre lo que la naturaleza debería dar no desempeñara un papel tan importante ".
Y todo este arduo trabajo valió la pena: en septiembre de 2015, cuando la señal real llegó a los detectores LIGO, los científicos sabían qué hacer. En 2016, la colaboración anunció la primera detección directa confirmada de ondas gravitacionales. Un año después, este evento ganó el Premio Nobel.
No hay respuestas fáciles.
Y aunque las inyecciones a ciegas funcionaron para una comunidad que estudia las ondas gravitacionales, cada área de la física tiene sus propias dificultades únicas.
Los físicos que estudian los neutrinos tienen una muestra extremadamente pequeña de datos con los que pueden trabajar, porque sus partículas interactúan muy raramente. Por lo tanto, los experimentos de
NOvA y
los experimentos de neutrinos subterráneos profundos utilizan detectores gigantes de este tipo.
Los astrónomos tienen aún menos muestras: solo tienen un universo para estudiar, y no hay forma de realizar experimentos de control. Por lo tanto, hacen observaciones que duran décadas, recopilando la mayor cantidad de datos posible.
Los investigadores del Gran Colisionador de Hadrones tienen suficientes interacciones para estudiar: cada segundo hay unos 600 millones de eventos. Pero debido al gran tamaño, costo y complejidad de la tecnología, los científicos han construido solo un LHC. Por lo tanto, dentro del colisionador hay varios detectores diferentes que pueden probar el trabajo del otro midiendo las mismas cosas de diferentes maneras usando detectores de diferentes estructuras.
Y aunque hay muchos principios para verificar los resultados: es bueno comprender el experimento y su contexto, ejecutar simulaciones y verificar que coincidan con los datos, verificar explicaciones alternativas para el resultado; no hay una lista exhaustiva de verificaciones que cada físico llevaría a cabo. Diferentes experimentos utilizan diferentes estrategias, que varían de región a región y de vez en cuando.
Los científicos deben hacer todo lo posible para verificar el resultado, porque al final tendrá que pasar la prueba por revisores independientes. Los colegas disputarán el nuevo resultado, lo someterán a su propio análisis, tratarán de dar interpretaciones alternativas y repetirán las mediciones de otra manera. Especialmente cuando se trata de dragones.
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