Fisika partikel dan ahli astrofisika menggunakan berbagai alat untuk menghindari hasil yang salah
Pada 1990-an, dalam sebuah percobaan di Los Alamos, sekitar 55 km barat laut ibukota New Mexico, sesuatu yang aneh tampaknya ditemukan.
Para ilmuwan mengembangkan
Liquid Scintillator Neutrino Detector di Los Alamos National Laboratory di Departemen Energi AS untuk menghitung neutrino, yang merupakan tiga jenis partikel yang jarang berinteraksi dengan materi lain. Pada LSND, mereka mencari bukti
osilasi neutrino - transisi neutrino dari satu jenis ke yang lain.
Dalam beberapa percobaan sebelumnya, tanda-tanda osilasi seperti itu ditemukan, dari mana neutrino memiliki massa kecil yang tidak termasuk dalam
Model Standar , teori utama fisika partikel. Para ilmuwan di LSND ingin memeriksa kembali pengukuran awal tersebut.
Mempelajari sumber yang hampir murni dari jenis neutrino - muon neutrino yang sama - di LSND, kami menemukan bukti osilasi pada jenis lain neutrino, elektronik. Namun, lebih banyak neutrino terdeteksi dalam detektor daripada yang diperkirakan, yang memunculkan misteri lain.
Kelebihan ini bisa menjadi tanda bahwa neutrino tidak terombang-ambing di antara tiga, tetapi di antara empat jenis yang berbeda, yang berarti keberadaan jenis baru neutrino,
steril - teoretikus membuat proposal untuk memasukkan massa neutrino kecil dalam Model Standar.
Atau mungkin ada penjelasan lain. Pertanyaannya adalah apa? Dan bagaimana para ilmuwan dapat melindungi diri mereka dari kesalahan dalam fisika?
Sesuatu yang sama sekali baru
Banyak fisikawan mencari hasil yang melampaui Model Standar. Mereka datang dengan eksperimen untuk menguji prediksi; jika mereka menemukan ketidakkonsistenan, ini berpotensi dapat berarti penemuan sesuatu yang sama sekali baru.
"Apakah kita mendapatkan prediksi dari perhitungan itu, menggunakan Model Standar yang sama?" Kata Paris Sfikas, seorang peneliti di CERN. "Jika demikian, maka kita tidak memiliki yang baru. Jika tidak, maka pertanyaan berikut: “Apakah hasilnya termasuk dalam batas kesalahan estimasi kami? Mungkinkah hasilnya disebabkan oleh kesalahan dalam estimasi? "Dan seterusnya dan seterusnya."
Daftar besar faktor yang mungkin dapat membuat para ilmuwan percaya bahwa mereka membuat penemuan. Bagian penting dari penelitian ilmiah adalah identifikasi dan penemuan cara mereka untuk memverifikasi apa yang sebenarnya terjadi.
"Bar untuk penemuan di komunitas sangat tinggi, dan memang demikian," kata Bonnie Fleming, seorang ahli fisika di Universitas Yale Neutrino. "Butuh waktu untuk meyakinkan diri sendiri bahwa kita benar-benar telah menemukan sesuatu."
Dalam kasus anomali LSND, para ilmuwan bertanya-tanya apakah ini disebabkan oleh peristiwa latar belakang yang tidak diketahui, atau apakah beberapa masalah mekanis menyebabkan kesalahan dalam pengukuran.
Para ilmuwan telah mengembangkan percobaan berikutnya untuk melihat apakah mereka dapat mereproduksi hasilnya. Eksperimen
MiniBooNE di
Fermilab baru-baru ini melaporkan tanda-tanda kelebihan serupa. Dalam eksperimen lain, misalnya, dalam
MINOS yang dilakukan di Fermilab yang sama, kelebihan seperti itu tidak ditemukan, yang hanya mempersulit pencarian.
"[LSND dan MiniBooNE] jelas mengukur kelebihan peristiwa dibandingkan dengan jumlah yang diharapkan," kata juru bicara MINOS Jenny Thomas, seorang ahli fisika di University College London. "Apakah sinyal-sinyal ini penting, atau hanya latar belakang yang salah penilaian?" Inilah yang sedang mereka kerjakan. ”
Manajemen harapan
Sebagian besar pekerjaan memahami sinyal terjadi sebelum diterima. Saat mengembangkan eksperimen, peneliti perlu memahami proses fisik apa yang dapat memberikan atau meniru sinyal yang diinginkan, dan peristiwa ini sering disebut "latar belakang".
Fisikawan dapat memprediksi latar belakang melalui simulasi atau percobaan. Beberapa jenis detektor latar belakang dapat ditentukan melalui "tes nol", misalnya, arah teleskop di dinding yang kosong. Jenis latar belakang lain dapat ditentukan dengan menggunakan tes data, “tes pisau lipat,” ketika data dibagi menjadi beberapa subkelompok - misalnya, data dari hari Senin dan data dari hari Selasa - yang menurut definisi harus menghasilkan hasil yang sama. Setiap inkonsistensi akan memperingatkan para ilmuwan tentang sinyal yang muncul hanya dalam satu subkelompok.
Para peneliti dalam mencari sinyal tertentu berusaha untuk lebih memahami proses fisik lain apa yang dapat memberikan sinyal yang sama pada detektor. Misalnya, MiniBooNE mempelajari sinar yang sebagian besar terdiri dari muon neutrino untuk mengukur seberapa sering mereka berosilasi ke dalam jenis lain. Tapi kadang-kadang dia mengambil neutrino elektron acak, dan sepertinya muon neutrino berubah menjadi mereka. Selain itu, proses fisik lainnya dapat mensimulasikan sinyal dari neutrino elektron.
"Kami tahu bahwa kami akan tertipu karena mereka, jadi kami harus melakukan segala yang mungkin untuk memahami ada berapa banyak," kata Fleming. "Dan kelebihan yang kami temukan harus ditambahkan ke acara ini."
Manusia tidak stabil bahkan lebih kuat dari sinar partikel. Ilmu pengetahuan mencoba mengukur fakta secara objektif, tetapi proses ini dilakukan oleh sekelompok orang yang tindakannya mungkin bias, masalah pribadi, dan emosi. Pendapat yang bias tentang hasil percobaan dapat secara tidak kasat mata mempengaruhi pekerjaan seorang peneliti.
"Saya pikir ada stereotip bahwa para ilmuwan adalah pengamat kenyataan yang tidak emosional, dingin, dan penuh perhitungan," kata Brian Keating, seorang astrofisika di University of California di San Diego, penulis The Losing Nobel Prize, yang menggambarkan bagaimana Anda ingin melakukan hadiah yang mengarah ke gangguan dapat mengalihkan perhatian ilmuwan dari perilaku yang benar. “Faktanya, kami berpartisipasi dalam proses ini, ada momen sosiologis yang memengaruhi orang. Para ilmuwan, meskipun stereotip, adalah orang yang persis sama. "
Mengakui hal ini dan menggunakan metode yang menghilangkan bias sangat penting jika sebuah pernyataan membalikkan pengetahuan yang sudah lama ada - misalnya, pemahaman kita tentang neutrino. Dalam kasus seperti itu, para ilmuwan mematuhi pepatah terkenal: pernyataan darurat membutuhkan bukti luar biasa.
"Jika Anda berjalan melewati rumah dan melihat mobil, Anda mungkin berpikir," Ini mobil, "kata John Kanner, seorang peneliti dari Caltech. "Tetapi jika kamu melihat naga, kamu mungkin berpikir:" Tapi apakah itu benar-benar seekor naga? " Apa aku yakin ini naga? Anda akan membutuhkan bukti dari tingkat yang berbeda. "
Naga atau penemuan?
Fisikawan telah menderita naga sebelumnya. Sebagai contoh, pada tahun 1969, ilmuwan Joe Weber mengumumkan penemuan gelombang gravitasi: riak pada struktur ruang-waktu, diprediksi oleh Albert Einstein pada tahun 1916. Penemuan semacam itu, yang oleh banyak orang dianggap mustahil, akan membuktikan prinsip kunci dari teori relativitas. Weber tahu ketenaran instan, tetapi hanya sampai fisikawan lain menemukan bahwa mereka tidak dapat mereproduksi hasilnya.
Penemuan palsu mengejutkan komunitas peneliti gelombang gravitasi, yang selama beberapa dekade berikutnya mulai waspada terhadap pengumuman tersebut.
Oleh karena itu, pada tahun 2009, ketika observatorium gelombang gravitasi laser interferometrik
LIGO mulai bekerja untuk percobaan berikutnya, kolaborasi para ilmuwan menghasilkan cara baru untuk memastikan bahwa anggotanya akan skeptis tentang hasil mereka. Mereka mengembangkan metode menambahkan sinyal palsu yang disimulasikan ke aliran data detektor, tanpa memperingatkan sebagian besar dari 800 peneliti. Mereka menyebutnya "infus buta." Semua anggota masyarakat lainnya tahu bahwa suntikan itu mungkin, tetapi tidak dijamin.
"Kami belum mendeteksi sinyal apa pun selama 30 tahun," kata Kanner, anggota kolaborasi LIGO. - Seberapa jelas atau jelas sebuah tanda bagi setiap orang untuk mempercayainya? Ini membuat kami lebih bersandar pada algoritma, statistik dan prosedur, serta memeriksa sosiologi dan melihat apakah kami dapat meyakinkan sekelompok orang tentang hal ini. "
Pada akhir 2010, tim menerima peringatan yang mereka tunggu: komputer mengenali sinyal. Selama enam bulan, ratusan ilmuwan terlibat dalam analisis, dan akhirnya menyimpulkan bahwa sinyal itu mirip dengan gelombang gravitasi. Mereka menulis sebuah karya dengan deskripsi terperinci tentang bukti, dan lebih dari 400 orang memilih untuk menyetujuinya. Dan kemudian salah satu manajer proyek mengatakan kepada mereka bahwa semua ini telah dicurangi.
Menghabiskan waktu sebanyak itu untuk mengambil sampel dan mempelajari sinyal artifisial seperti itu mungkin tampak kosong, tetapi tes itu berfungsi sebagaimana mestinya. Latihan ini memaksa para ilmuwan untuk mencari tahu semua metode yang diperlukan untuk mempelajari dengan seksama hasil nyata bahkan sebelum itu muncul. Ini memaksa kolaborasi untuk mengembangkan tes dan pendekatan baru untuk menunjukkan keandalan mendeteksi sinyal yang mungkin bahkan sebelum peristiwa nyata.
"Di satu sisi, sistem ini dirancang agar adil," kata Kanner. - Siapa pun sampai batas tertentu memiliki dugaan atau harapannya sendiri tentang hasil percobaan ini. Bagian dari gagasan infus buta adalah untuk mengatasi bias ini sehingga pendapat kami tentang apa yang seharusnya diberikan oleh alam tidak akan memainkan peran yang begitu penting. ”
Dan semua kerja keras ini terbayar: pada bulan September 2015, ketika sinyal nyata mencapai detektor LIGO, para ilmuwan tahu apa yang harus dilakukan. Pada 2016, kolaborasi mengumumkan deteksi langsung pertama dari gelombang gravitasi. Setahun kemudian, acara ini memenangkan Hadiah Nobel.
Tidak ada jawaban yang mudah
Dan meskipun injeksi buta bekerja untuk komunitas yang mempelajari gelombang gravitasi, setiap bidang fisika memiliki kesulitan tersendiri.
Fisikawan yang mempelajari neutrino memiliki sampel data yang sangat kecil yang dapat mereka gunakan, karena partikel mereka jarang berinteraksi. Oleh karena itu, eksperimen
NOvA dan
eksperimen neutrino bawah tanah yang dalam menggunakan detektor raksasa tersebut.
Astronom memiliki sampel lebih sedikit: mereka hanya memiliki satu semesta untuk dipelajari, dan tidak ada cara untuk melakukan eksperimen kontrol. Oleh karena itu, mereka melakukan pengamatan yang berlangsung selama beberapa dekade, mengumpulkan data sebanyak mungkin.
Para peneliti di Large Hadron Collider memiliki interaksi yang cukup untuk dipelajari - setiap detik ada sekitar 600 juta peristiwa. Tetapi karena ukuran besar, biaya dan kompleksitas teknologi, para ilmuwan hanya membangun satu LHC. Oleh karena itu, di dalam collider terdapat beberapa detektor berbeda yang dapat menguji kerja masing-masing dengan mengukur hal yang sama dengan cara yang berbeda menggunakan detektor dari struktur yang berbeda.
Dan meskipun ada banyak prinsip untuk memverifikasi hasil - itu baik untuk memahami percobaan dan konteksnya, menjalankan simulasi dan memverifikasi bahwa mereka cocok dengan data, periksa penjelasan alternatif untuk hasilnya - tidak ada daftar verifikasi komprehensif yang akan dilakukan setiap fisikawan. Eksperimen yang berbeda menggunakan strategi yang berbeda, bervariasi dari satu daerah ke daerah lain dan dari waktu ke waktu.
Para ilmuwan diharuskan melakukan segala yang mungkin untuk memverifikasi hasilnya, karena pada akhirnya ia harus lulus tes oleh pengulas independen. Kolega akan membantah hasil baru, tunduk pada analisis mereka sendiri, mencoba memberikan interpretasi alternatif, dan mengulangi pengukuran dengan cara lain. Terutama ketika menyangkut naga.
Anda dapat menemukan lebih banyak artikel tentang topik sains populer di situs web Golovanov.net . Lihat juga: mengapa persepsi kita tentang waktu itu heterogen ; ketika materi gelap dan energi gelap muncul ; bagaimana membangun menara hingga ruang angkasa ; mengapa Hubble tidak melihat galaksi pertama ; Seri Ask Ethan artikel kosmologi.
Saya mengingatkan Anda bahwa proyek itu hanya ada berkat dukungan pembaca (kartu bank, Yandex.Money, WebMoney, Bitcoin, tetapi setidaknya). Terima kasih kepada semua orang yang telah memberikan dukungan!
Sekarang Anda dapat mendukung proyek melalui layanan berlangganan otomatis Patreon !