A física de partículas e os astrofísicos usam uma variedade de ferramentas para evitar resultados errôneos.
Nos anos 90, em um experimento realizado em Los Alamos, cerca de 55 km a noroeste da capital do Novo México, algo estranho pareceu ser descoberto.
Os cientistas desenvolveram um
Detector de Neutrinos com Cintilador de Líquidos no Laboratório Nacional Los Alamos do Departamento de Energia de Los Angeles, a fim de contar neutrinos, que são três tipos de partículas que raramente interagem com outras matérias. No LSND, eles procuraram evidências de
oscilações de
neutrinos - a transição de neutrinos de um tipo para outro.
Em várias experiências anteriores, foram descobertos sinais de tais oscilações, a partir dos quais os neutrinos têm pequenas massas que não estão incluídas no
Modelo Padrão , a principal teoria da física de partículas. Os cientistas da LSND queriam reexaminar essas medições iniciais.
Estudando uma fonte quase pura do mesmo tipo de neutrino - múon neutrino - no LSND, encontramos evidências de oscilações em outro tipo de neutrino, eletrônico. No entanto, muito mais neutrinos foram detectados no detector do que o previsto, o que deu origem a outro mistério.
Esse excesso pode ser um sinal de que os neutrinos não oscilam entre três, mas entre quatro tipos diferentes, o que significaria a existência de um novo tipo de neutrino, os teóricos
estéreis fizeram tal proposta para incluir pequenas massas de neutrinos no Modelo Padrão.
Ou poderia haver outra explicação. A questão é o que? E como os cientistas podem se proteger dos erros da física?
Algo completamente novo
Muitos físicos estão procurando resultados que vão além do modelo padrão. Eles fazem experimentos para testar previsões; se encontrarem alguma inconsistência, isso pode significar a descoberta de algo completamente novo.
"Obtemos quais são as previsões dos cálculos, usando o mesmo modelo padrão?" Diz Paris Sfikas, pesquisador do CERN. “Se sim, então não temos nada de novo. Caso contrário, a seguinte pergunta: “O resultado está dentro dos limites de erro de nossas estimativas? O resultado poderia ser devido a um erro nas estimativas? "E assim por diante e assim por diante".
Uma grande lista de fatores possíveis pode fazer os cientistas acreditarem que fizeram uma descoberta. Uma parte importante da pesquisa científica é a identificação e invenção de maneiras de verificar o que realmente está acontecendo.
"O nível de descoberta na comunidade é muito alto, e com razão", diz Bonnie Fleming, físico da Universidade Yale Neutrino. "Leva tempo para nos convencer de que realmente descobrimos algo."
No caso da anomalia do LSND, os cientistas estão se perguntando se isso ocorreu devido a eventos não relatados, ou se algum problema mecânico levou a um erro nas medições.
Os cientistas desenvolveram experimentos subseqüentes para ver se eles podem reproduzir o resultado. Um experimento
MiniBooNE no
Fermilab relatou recentemente sinais de um excesso semelhante. Em outros experimentos, por exemplo, no
MINOS realizado no mesmo Fermilab, esse excesso não foi encontrado, o que complica apenas a pesquisa.
"[LSND e MiniBooNE] medem claramente o excesso de eventos em relação ao número esperado", disse a porta-voz do MINOS Jenny Thomas, física da University College London. “Esses sinais são importantes ou são apenas um histórico mal avaliado? É nisso que eles estão trabalhando. ”
Gerenciamento de expectativas
A maior parte do trabalho de compreensão do sinal ocorre antes de ser recebido. Ao desenvolver um experimento, os pesquisadores precisam entender quais processos físicos podem emitir ou imitar o sinal desejado, e esses eventos são freqüentemente chamados de “antecedentes”.
Os físicos podem prever os antecedentes através de simulações ou experimentos. Alguns tipos de detectores de fundo podem ser determinados através de "testes zero", por exemplo, a direção do telescópio em uma parede vazia. Outros tipos de histórico podem ser determinados usando testes de dados, "testes de faca dobrável", quando os dados são divididos em subgrupos - por exemplo, dados de segunda-feira e dados de terça-feira - que, por definição, devem produzir os mesmos resultados. Quaisquer inconsistências alertarão os cientistas sobre um sinal que aparece em apenas um subgrupo.
Pesquisadores em busca de um sinal específico estão tentando entender melhor que outros processos físicos podem dar o mesmo sinal no detector. Por exemplo, o MiniBooNE estuda um feixe constituído principalmente por neutrinos de múons para medir com que frequência eles oscilam para outros tipos. Mas às vezes ele pega neutrinos de elétrons aleatórios, e parece que os neutrinos de múons se transformaram neles. Além disso, outros processos físicos podem simular um sinal de um neutrino eletrônico.
"Sabemos que seremos enganados por causa deles, por isso devemos fazer todo o possível para entender quantos podem existir", diz Fleming. "E o excesso que encontramos deve ser adicionado a esses eventos."
Os seres humanos são instáveis ainda mais fortes que um raio de partículas. A ciência está tentando medir objetivamente os fatos, mas esse processo é realizado por um grupo de pessoas cujas ações podem sofrer preconceitos, problemas pessoais e emoções. Uma opinião tendenciosa sobre o resultado de um experimento pode afetar imperceptivelmente o trabalho de um pesquisador.
"Acho que existe um estereótipo tão grande que os cientistas são observadores da realidade tão desapaixonados, frios e calculistas", diz Brian Keating, astrofísico da Universidade da Califórnia em San Diego, autor de The Losing Nobel Prize, que descreve como você deseja se comprometer. uma recompensa que leva a uma distração pode distrair o cientista do comportamento correto. “De fato, participamos desses processos, há momentos sociológicos que afetam as pessoas. Os cientistas, apesar dos estereótipos, são exatamente as mesmas pessoas ".
Reconhecer isso e usar métodos que eliminem o viés são especialmente importantes se uma declaração reverter o conhecimento de longa data - por exemplo, nossa compreensão dos neutrinos. Nesses casos, os cientistas aderem a um aforismo conhecido: declarações de emergência exigem evidências extraordinárias.
"Se você passar por sua casa e vir um carro, poderá pensar:" Este é um carro ", diz John Kanner, pesquisador da Caltech. "Mas se você vê um dragão, pode pensar:" Mas é realmente um dragão? " Tenho certeza de que isso é um dragão? Você precisará de evidências de um nível diferente ".
Dragão ou descoberta?
Físicos já sofreram dragões antes. Por exemplo, em 1969, o cientista Joe Weber anunciou a descoberta de ondas gravitacionais: ondulações no tecido do espaço-tempo, previstas por Albert Einstein em 1916. Tal descoberta, que muitos consideravam impossível, provaria o princípio fundamental da teoria da relatividade. Weber conheceu a fama instantânea, mas apenas até que outros físicos descobrissem que não podiam reproduzir seus resultados.
A falsa descoberta chocou a comunidade de pesquisadores de ondas gravitacionais, que durante as próximas décadas começaram a desconfiar de tais anúncios.
Portanto, em 2009, quando o observatório de ondas gravitacionais interferométricas a laser
LIGO começou a trabalhar para o próximo experimento, a colaboração de cientistas surgiu com uma nova maneira de garantir que seus membros ficassem céticos em relação a seus resultados. Eles desenvolveram um método para adicionar um sinal falso e simulado ao fluxo de dados do detector, sem avisar a maioria dos 800 pesquisadores. Eles chamavam de "infusão cega". Todos os outros membros da comunidade sabiam que uma infusão era possível, mas não garantida.
"Não detectamos nenhum sinal há 30 anos", disse Kanner, membro da colaboração do LIGO. - Quão claro ou óbvio deve ser um sinal para que todos acreditem nele? Isso nos fez confiar mais em algoritmos, estatísticas e procedimentos, além de verificar a sociologia e ver se conseguimos convencer um grupo de pessoas disso ".
No final de 2010, a equipe recebeu o aviso que estava esperando: os computadores reconheceram o sinal. Durante seis meses, centenas de cientistas foram envolvidos na análise e, finalmente, concluíram que o sinal era semelhante às ondas gravitacionais. Eles escreveram um trabalho com uma descrição detalhada das evidências e mais de 400 pessoas votaram para aprová-las. E então um dos gerentes de projeto disse que tudo isso era fraudado.
Passar tanto tempo para amostrar e estudar um sinal artificial pode parecer vazio, mas o teste funcionou como deveria. Esse exercício forçou os cientistas a elaborar todos os métodos necessários para estudar de perto o resultado real antes mesmo de aparecer. Isso forçou a colaboração a desenvolver novos testes e abordagens para demonstrar a confiabilidade da detecção de um possível sinal mesmo antes de um evento real.
"De certa forma, esse sistema foi projetado para ser justo", diz Kanner. - Alguém, de certa forma, tem suas próprias suposições ou expectativas sobre os resultados desse experimento. Parte da idéia da infusão cega era abordar esse viés, para que nossa opinião sobre o que a natureza deveria dar não desempenhasse um papel tão importante. ”
E todo esse trabalho árduo valeu a pena: em setembro de 2015, quando o sinal real chegou aos detectores LIGO, os cientistas sabiam o que fazer. Em 2016, a colaboração anunciou a primeira detecção direta confirmada de ondas gravitacionais. Um ano depois, este evento ganhou o Prêmio Nobel.
Não há respostas fáceis
E embora injeções cegas funcionassem para uma comunidade que estuda ondas gravitacionais, cada área da física tem suas próprias dificuldades.
Os físicos que estudam neutrinos têm uma amostra extremamente pequena de dados com os quais podem trabalhar, porque suas partículas interagem muito raramente. Portanto, experimentos
NOvA e
experimentos de neutrinos subterrâneos profundos usam esses detectores gigantes.
Os astrônomos têm ainda menos amostras: eles têm apenas um universo para estudar e não há como realizar experimentos de controle. Portanto, eles fazem observações que duram décadas, coletando o máximo de dados possível.
Pesquisadores do Large Hadron Collider têm interações suficientes para estudar - a cada segundo, existem cerca de 600 milhões de eventos. Porém, devido ao enorme tamanho, custo e complexidade da tecnologia, os cientistas construíram apenas um LHC. Portanto, dentro do colisor existem vários detectores diferentes que podem testar o trabalho um do outro medindo as mesmas coisas de maneiras diferentes usando detectores de estruturas diferentes.
E embora existam muitos princípios para verificar os resultados - é bom entender o experimento e seu contexto, executar simulações e verificar se eles correspondem aos dados, verificar explicações alternativas para o resultado - não há uma lista abrangente de verificações que todo físico executaria. Diferentes experiências usam estratégias diferentes, variando de região para região e de tempos em tempos.
Os cientistas são obrigados a fazer todo o possível para verificar o resultado, porque no final ele terá que passar no teste por revisores independentes. Os colegas contestarão o novo resultado, sujeitarão a sua própria análise, tentarão interpretar alternativas e repetir as medições de outra maneira. Especialmente quando se trata de dragões.
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