粒子物理学和天体物理学家使用各种工具来避免错误的结果。

在1990年代,在新墨西哥州首都西北约55公里处的洛斯阿拉莫斯进行的一次实验中,似乎发现了一些奇怪的东西。
为了计数中微子,科学家们在洛杉矶能源部洛斯阿拉莫斯国家实验室开发了一种
液体闪烁体中微子探测器 ,以便对中微子进行计数。中微子是很少与其他物质相互作用的三种类型的粒子。 在LSND上,他们寻找
中微子振荡的证据-中微子从一种类型过渡到另一种类型。
在先前的几个实验中,发现了这种振荡的迹象,由此得出的结论是,中微子具有较小的质量,这些质量未包括在
标准模型 (粒子物理的主要理论)中。 LSND的科学家想重新检查这些早期测量结果。
在LSND研究几乎相同类型的中微子-介子中微子-的纯净来源时,我们发现了另一种中微子电子振荡的证据。 但是,在探测器中探测到的中微子比预期的要多得多,这引起了另一个谜团。
这种过量可能表明中微子不在三个之间而是在四个不同类型之间振荡,这意味着存在一种新型的
无菌中微子-理论家提出了这样的建议,即在标准模型中包括微小的中微子质量。
否则可能会有另一种解释。 问题是什么? 科学家如何保护自己免受物理错误的影响?
全新的东西
许多物理学家正在寻找超越标准模型的结果。 他们提出实验来检验预测。 如果他们发现任何不一致之处,则可能意味着发现了全新的事物。
“使用相同的标准模型,我们可以获得计算的预测吗?” CERN的研究人员Paris Sfikas说。 “如果是这样,那么我们就没有新事物了。 如果不是,那么将出现以下问题:“结果是否在我们的估计误差范围内? 结果可能是由于估计中的错误吗?
大量可能的因素可以使科学家们相信他们已经发现了。 科学研究的重要组成部分是它们的识别和发明,以验证实际发生的事情。
耶鲁中微子大学的物理学家邦妮·弗莱明说:“在社区中发现的门槛很高,这是正确的。” “需要时间说服自己我们确实发现了一些东西。”
在LSND异常的情况下,科学家们想知道这是否是由于背景事件无法解释,还是某些机械问题导致了测量错误。
科学家们进行了后续实验,以查看是否可以重现结果。 最近在
费米实验室(Fermilab)进行的
MiniBooNE实验报告了类似过量现象的迹象。 在其他实验中,例如,在同一Fermilab中进行的
MINOS中,未发现这种过量现象,这只会使搜索复杂化。
MINOS发言人,伦敦大学学院的物理学家詹妮·托马斯(Jenny Thomas)说:“ [LSND和MiniBooNE]明显衡量了超出预期数量的事件。 “这些信号重要吗,还是仅仅是对背景的错误评估?” 这就是他们正在努力的目标。”
期望管理
了解信号的大部分工作是在接收到信号之前进行的。 在进行实验时,研究人员需要了解哪些物理过程可以发出或模仿所需的信号,这些事件通常被称为“背景”。
物理学家可以通过模拟或实验来预测背景。 某些类型的背景探测器可以通过“零测试”来确定,例如,望远镜在空墙上的方向。 当数据分为子组时(例如,星期一的数据和星期二的数据),可以使用数据测试(折刀测试)确定其他类型的背景,根据定义,这些结果应产生相同的结果。 任何不一致之处都会警告科学家有关仅在一个子组中出现的信号。
寻找特定信号的研究人员正试图更好地了解哪些其他物理过程可以在检测器中产生相同的信号。 例如,MiniBooNE研究了一个主要由介子中微子组成的射束,以测量它们振荡成其他类型的频率。 但是有时候他会捡起随机的电子中微子,看起来像μ子中微子变成了电子中微子。 另外,其他物理过程可以模拟来自电子中微子的信号。
“我们知道我们会因为他们而被欺骗,因此我们必须尽一切可能了解有多少人,”弗莱明说。 “我们发现的多余部分应添加到这些事件中。”
人类甚至比一缕粒子还不稳定。 科学正在试图客观地衡量事实,但是这个过程是由一群人的行为来完成的,这些人的行为可能会受到偏见,个人问题和情感的困扰。 对实验结果的偏见可能会潜移默化地影响研究人员的工作。
加州大学圣地亚哥分校的天体物理学家布莱恩·基廷(Brian Keating)说:“我认为人们的刻板印象是,科学家是如此无情,冷漠,对现实的观察家,”导致分心的奖励会分散科学家的正确行为。 “事实上,我们参与了这些过程,有一些影响人们的社会学时刻。 尽管有刻板印象,科学家们却是同一个人。”
如果陈述颠倒了长期以来的知识,例如我们对中微子的理解,那么认识到这一点并采用消除偏见的方法就尤为重要。 在这种情况下,科学家坚持一种众所周知的格言:紧急声明需要非凡的证据。
加州理工学院的研究员约翰·坎纳说:“如果你走过房子看到一辆汽车,你可能会想,“这是一辆汽车。” “但是,如果您看到一条龙,您可能会想:“但这真的是一条龙吗?” 我确定这是一条龙吗? 您将需要不同级别的证据。”
龙还是发现?
物理学家以前曾遭受过巨龙的折磨。 例如,1969年,科学家乔·韦伯(Joe Weber)宣布了引力波的发现:时空结构上的涟漪,这是阿尔伯特·爱因斯坦1916年所预测的。 许多人认为这是不可能的,这一发现将证明相对论的主要宗旨。 韦伯知道立即成名,但是直到其他物理学家发现他们无法复制他的结果。
这项错误的发现震惊了引力波研究人员社区,在接下来的几十年中,引力波研究人员开始警惕这种公告。
因此,在2009年,
LIGO激光干涉重力波天文台开始为下一个实验工作时,科学家们的合作提出了一种新方法,以确保其成员对其结果表示怀疑。 他们开发了一种在检测器数据流中添加错误的模拟信号的方法,而不会警告800名研究人员中的大多数。 他们称其为“盲注”。 所有其他社区成员都知道可以输液,但不能保证。
LIGO合作成员Kanner说:“我们30年来未发现任何信号。” -每个人都应该相信它的标志有多清晰? 这使我们更加依赖算法,统计数据和过程,以及检查社会学,看看我们是否可以使一群人相信这一点。”
在2010年底,团队收到了他们正在等待的警告:计算机识别出该信号。 在六个月的时间里,数百名科学家参与了分析,并最终得出结论,该信号类似于重力波。 他们写了一篇对证据进行了详细描述的作品,有400多人投票赞成该证据。 然后一位项目经理告诉他们,所有这些都是操纵的。
花这么多时间来采样和研究这样的人工信号可能看起来是空的,但是测试可以正常进行。 这项工作迫使科学家们研究出必要的所有方法,以便在真实结果出现之前就对其进行仔细研究。 这迫使双方合作开发新的测试和方法,以证明即使在真实事件发生之前也能检测出可能的信号的可靠性。
坎纳说:“从某种意义上说,该系统的设计是公平的。” -在某种程度上,每个人对本实验的结果都有自己的猜测或期望。 盲注的部分想法是为了解决这种偏见,这样我们对自然应该给出的看法就不会发挥如此重要的作用。”
所有这些艰辛的工作都得到了回报:2015年9月,当真正的信号到达LIGO探测器时,科学家们知道该怎么做。 在2016年,这项合作宣布了首次确认的直接检测引力波。 一年后,该活动获得了诺贝尔奖。
没有简单的答案
尽管盲注对于研究重力波的社区很有用,但物理学的每个领域都有其独特的困难。
研究中微子的物理学家可以使用的数据样本非常少,因为它们的粒子很少相互作用。 因此,
NOvA实验和
地下中微子深层实验都使用这种巨型探测器。
天文学家的样本更少:他们只有一个宇宙要研究,而且没有进行对照实验的方法。 因此,他们进行了长达数十年的观察,收集了尽可能多的数据。
大型强子对撞机的研究人员具有足够的互动性来进行研究-每秒大约有6亿个事件。 但是由于该技术的巨大规模,成本和复杂性,科学家只制造了一个大型强子对撞机。 因此,在对撞机内部有几个不同的探测器,它们可以通过使用不同结构的探测器以不同的方式测量相同物体来测试彼此的工作。
尽管有许多验证结果的原理-理解实验及其背景,运行模拟并验证它们是否与数据相匹配,检查结果的其他解释是一件好事-没有每个物理学家都会进行的全面验证清单。 不同的实验使用不同的策略,因地区而异。
要求科学家尽一切可能来验证结果,因为最终他将必须通过独立审核者的测试。 同事们将对新结果提出异议,对其进行自己的分析,尝试给出其他解释,并以另一种方式重复进行测量。 特别是关于龙。
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