La physique des particules et les astrophysiciens utilisent une variété d'outils pour éviter les résultats erronés
Dans les années 1990, lors d'une expérience menée à Los Alamos, à environ 55 km au nord-ouest de la capitale du Nouveau-Mexique, quelque chose d'étrange semblait avoir été découvert.
Les scientifiques ont développé un
détecteur de neutrinos à scintillateur liquide au laboratoire national Los Alamos du Los Angeles Department of Energy afin de compter les neutrinos, qui sont trois types de particules qui interagissent rarement avec d'autres matières. Sur LSND, ils ont recherché des preuves d'
oscillations de
neutrinos - la transition des neutrinos d'un type à un autre.
Dans plusieurs expériences précédentes, des signes de telles oscillations ont été découverts, d'où il résulte que les neutrinos ont de petites masses qui ne sont pas incluses dans le
modèle standard , la principale théorie de la physique des particules. Les scientifiques du LSND voulaient réexaminer ces premières mesures.
En étudiant une source presque pure du même type de neutrino - neutrino muon - au LSND, nous avons trouvé des preuves d'oscillations dans un autre type de neutrino, électronique. Cependant, beaucoup plus de neutrinos ont été détectés dans le détecteur que prévu, ce qui a donné lieu à un autre mystère.
Cet excès pourrait être un signe que les neutrinos n'oscillent pas entre trois, mais entre quatre types différents, ce qui signifierait l'existence d'un nouveau type de neutrino,
stérile - les théoriciens ont fait une telle proposition pour inclure de minuscules masses de neutrinos dans le modèle standard.
Ou il pourrait y avoir une autre explication. La question est quoi? Et comment les scientifiques peuvent-ils se protéger des erreurs de physique?
Quelque chose de complètement nouveau
De nombreux physiciens recherchent des résultats qui dépassent le modèle standard. Ils proposent des expériences pour tester les prédictions; s'ils découvrent des incohérences, cela pourrait potentiellement signifier la découverte de quelque chose de complètement nouveau.
"Obtenons-nous quelles sont les prévisions des calculs, en utilisant le même modèle standard?" Dit Paris Sfikas, chercheur au CERN. «Si oui, alors nous n'avons rien de nouveau. Sinon, alors la question suivante: «Le résultat se situe-t-il dans les limites d'erreur de nos estimations? Le résultat pourrait-il être dû à une erreur dans les estimations? "Et ainsi de suite, etc."
Une grande liste de facteurs possibles peut faire croire aux scientifiques qu'ils ont fait une découverte. Une partie importante de la recherche scientifique consiste à identifier et à inventer des moyens de vérifier ce qui se passe réellement.
«La barre de la découverte dans la communauté est très élevée, et à juste titre», explique Bonnie Fleming, physicienne à l'Université de Yale Neutrino. «Il nous faut du temps pour nous convaincre que nous avons vraiment découvert quelque chose.»
Dans le cas de l'anomalie LSND, les scientifiques se demandent si cela est dû à des événements non répertoriés, ou si un problème mécanique a conduit à une erreur dans les mesures.
Les scientifiques ont développé des expériences ultérieures pour voir s'ils peuvent reproduire le résultat. Une expérience
MiniBooNE au
Fermilab a récemment rapporté des signes d'un excès similaire. Dans d'autres expériences, par exemple, dans
MINOS menée dans le même Fermilab, un tel excès n'a pas été trouvé, ce qui ne fait que compliquer la recherche.
"[LSND et MiniBooNE] mesurent clairement l'excès d'événements par rapport au nombre attendu", a déclaré la porte-parole du MINOS, Jenny Thomas, physicienne à l'University College de Londres. "Ces signaux sont-ils importants, ou s'agit-il simplement d'un arrière-plan mal évalué?" C'est ce sur quoi ils travaillent. »
Gestion des attentes
La plupart du travail de compréhension du signal a lieu avant sa réception. Lors du développement d'une expérience, les chercheurs doivent comprendre quels processus physiques peuvent donner ou imiter le signal souhaité, et ces événements sont souvent appelés «arrière-plan».
Les physiciens peuvent prédire l'arrière-plan par des simulations ou des expériences. Certains types de détecteurs d'arrière-plan peuvent être déterminés par des «tests zéro», par exemple, la direction du télescope sur un mur vide. D'autres types d'arrière-plan peuvent être déterminés à l'aide de tests de données, «tests au couteau pliant», lorsque les données sont divisées en sous-groupes - par exemple, les données du lundi et les données du mardi - qui, par définition, devraient produire les mêmes résultats. Toute incohérence avertira les scientifiques d'un signal qui apparaît dans un seul sous-groupe.
Les chercheurs à la recherche d'un signal spécifique tentent de mieux comprendre quels autres processus physiques peuvent donner le même signal dans le détecteur. Par exemple, MiniBooNE étudie un faisceau composé principalement de neutrinos à muons pour mesurer la fréquence à laquelle ils oscillent dans d'autres types. Mais parfois, il ramasse des neutrinos électroniques aléatoires, et il semble que les neutrinos muons se soient transformés en eux. De plus, d'autres processus physiques peuvent simuler un signal provenant d'un neutrino électronique.
«Nous savons que nous serons trompés à cause d'eux, nous devons donc faire tout notre possible pour comprendre combien il peut y en avoir», explique Fleming. "Et l'excès que nous avons trouvé devrait être ajouté à ces événements."
Les êtres humains sont instables encore plus forts qu'un rayon de particules. La science essaie de mesurer objectivement les faits, mais ce processus est mené par un groupe de personnes dont les actions peuvent souffrir de biais, de problèmes personnels et d'émotions. Une opinion biaisée sur le résultat d'une expérience peut affecter imperceptiblement le travail d'un chercheur.
"Je pense qu'il y a un tel stéréotype que les scientifiques sont des observateurs de la réalité si émotifs, froids et calculateurs", explique Brian Keating, astrophysicien à l'Université de Californie à San Diego, auteur du Losing Nobel Prize, qui décrit comment vous voulez vous engager une récompense menant à une distraction peut distraire le scientifique d'un comportement correct. «En fait, nous participons à ces processus, il y a des moments sociologiques qui affectent les gens. Les scientifiques, malgré les stéréotypes, sont exactement les mêmes personnes. "
Reconnaître cela et utiliser des méthodes qui éliminent les biais sont particulièrement importants si une déclaration inverse des connaissances de longue date - par exemple, notre compréhension des neutrinos. Dans de tels cas, les scientifiques adhèrent à un aphorisme bien connu: les déclarations d'urgence nécessitent des preuves extraordinaires.
«Si vous passez devant votre maison et voyez une voiture, vous pourriez penser:« C'est une voiture », explique John Kanner, chercheur de Caltech. "Mais si vous voyez un dragon, vous pourriez penser:" Mais est-ce vraiment un dragon? " Suis-je sûr que c'est un dragon? Vous aurez besoin de preuves d'un niveau différent. "
Dragon ou découverte?
Les physiciens ont déjà souffert de dragons. Par exemple, en 1969, le scientifique Joe Weber a annoncé la découverte d'ondes gravitationnelles: des ondulations sur le tissu de l'espace-temps, prédites par Albert Einstein en 1916. Une telle découverte, que beaucoup considéraient impossible, prouverait le principe clé de la théorie de la relativité. Weber a connu une renommée instantanée, mais seulement jusqu'à ce que d'autres physiciens découvrent qu'ils ne pouvaient pas reproduire ses résultats.
La fausse découverte a choqué la communauté des chercheurs des ondes gravitationnelles, qui pendant les décennies suivantes ont commencé à se méfier de telles annonces.
Par conséquent, en 2009, lorsque l'observatoire des ondes gravitationnelles interférométrique laser
LIGO a commencé à travailler pour la prochaine expérience, la collaboration des scientifiques a trouvé une nouvelle façon de s'assurer que ses membres seraient sceptiques quant à leurs résultats. Ils ont développé une méthode pour ajouter un faux signal simulé au flux de données du détecteur, sans avertir la plupart des 800 chercheurs. Ils l'ont appelé «infusion aveugle». Tous les autres membres de la communauté savaient qu'une perfusion était possible, mais non garantie.
"Nous n'avons détecté aucun signal depuis 30 ans", a déclaré Kanner, membre de la collaboration LIGO. - Dans quelle mesure un signe doit-il être clair ou évident pour que chacun y croie? Cela nous a fait nous appuyer davantage sur les algorithmes, les statistiques et les procédures, ainsi que sur la vérification de la sociologie et voir si nous pouvions en convaincre un groupe de personnes. "
Fin 2010, l'équipe a reçu l'avertissement qu'elle attendait: les ordinateurs ont reconnu le signal. Pendant six mois, des centaines de scientifiques se sont lancés dans l'analyse et ont finalement conclu que le signal était similaire aux ondes gravitationnelles. Ils ont écrit un travail avec une description détaillée des preuves, et plus de 400 personnes ont voté pour l'approuver. Et puis l'un des chefs de projet leur a dit que tout cela était truqué.
Passer autant de temps à échantillonner et à étudier un tel signal artificiel peut sembler vide, mais le test a fonctionné comme il se doit. Cet exercice a obligé les scientifiques à trouver toutes les méthodes nécessaires pour étudier de près le résultat réel avant même qu'il n'apparaisse. Cela a forcé la collaboration à développer de nouveaux tests et approches pour démontrer la fiabilité de la détection d'un signal possible avant même un événement réel.
«D'une certaine manière, ce système a été conçu pour être équitable», explique Kanner. - Quiconque dans une certaine mesure a ses propres suppositions ou attentes concernant les résultats de cette expérience. Une partie de l'idée de la perfusion à l'aveugle était de remédier à ce biais afin que notre opinion sur ce que la nature devrait donner ne joue pas un rôle aussi important. »
Et tout ce travail acharné a porté ses fruits: en septembre 2015, lorsque le véritable signal a atteint les détecteurs LIGO, les scientifiques savaient quoi faire. En 2016, la collaboration a annoncé la première détection directe confirmée d'ondes gravitationnelles. Un an plus tard, cet événement remporte le prix Nobel.
Pas de réponses faciles
Et bien que les injections aveugles aient fonctionné pour une communauté qui étudie les ondes gravitationnelles, chaque domaine de la physique a ses propres difficultés.
Les physiciens qui étudient les neutrinos ont un très petit échantillon de données avec lesquels ils peuvent travailler, car leurs particules interagissent si rarement. Par conséquent, les expériences
NOvA et les expériences
souterraines de neutrinos profonds utilisent de tels détecteurs géants.
Les astronomes ont encore moins d'échantillons: ils n'ont qu'un seul univers à étudier, et il n'y a aucun moyen de mener des expériences de contrôle. Par conséquent, ils font des observations qui durent des décennies, collectant autant de données que possible.
Les chercheurs du Grand collisionneur de hadrons ont suffisamment d'interactions pour étudier - chaque seconde, il y a environ 600 millions d'événements. Mais en raison de l'énorme taille, du coût et de la complexité de la technologie, les scientifiques n'ont construit qu'un seul LHC. Par conséquent, à l'intérieur du collisionneur, il existe plusieurs détecteurs différents qui peuvent tester le travail des autres en mesurant les mêmes choses de différentes manières en utilisant des détecteurs de structures différentes.
Et bien qu'il existe de nombreux principes pour vérifier les résultats - il est bon de comprendre l'expérience et son contexte, d'effectuer des simulations et de vérifier qu'elles correspondent aux données, de vérifier des explications alternatives pour le résultat - il n'y a pas de liste complète des vérifications que chaque physicien effectuerait. Différentes expériences utilisent des stratégies différentes, variant d'une région à l'autre et de temps en temps.
Les scientifiques sont tenus de faire tout leur possible pour vérifier le résultat, car à la fin, il devra passer le test par des examinateurs indépendants. Les collègues contesteront le nouveau résultat, le soumettront à leur propre analyse, tenteront de donner des interprétations alternatives et répéteront les mesures d'une autre manière. Surtout quand il s'agit de dragons.
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