在2008年經歷了一次失敗的啟動後,位於日內瓦附近歐洲核子研究中心(CERN,歐洲粒子物理實驗室)的大型強子對撞機(LHC)這個閃亮的新型原子加速器終於計劃於今年十月開始其實驗。LHC可能會或可能不會噴射出暗物質、迷你黑洞或其他奇異物質。但無論如何,弄清楚會產生什麼將是一項極其艱鉅的任務。一種有爭議的資料分析方法可能有助於物理學家確保他們不會錯過任何有價值的東西。
LHC和其他加速器,如位於伊利諾伊州巴塔維亞費米國家加速器實驗室的Tevatron,將質子或其他粒子加速到接近光速並使它們碰撞。感謝阿爾伯特·愛因斯坦的E = mc2,部分碰撞能量轉化為稀有的重粒子,這些粒子幾乎立即衰變為數百個更普通的粒子(其中已知有數十種不同的型別)。LHC巨大的探測器將記錄這些碎片的透過,並以驚人的速度產生資料,相當於每秒一張CD-ROM。
物理學家將在資訊中搜尋特定的衰變產物組合,這些組合可能表明已經產生了新的粒子。他們將尋找希格斯玻色子的跡象,這是一種長期尋求的粒子,據推測它賦予其他粒子質量,以及可能首次揭示更高能量物理定律的全新粒子。
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但有些人擔心,這種類似於在文字中執行計算機演算法搜尋字母H-I-G-G-S的傳統方法,最終可能會錯過無人預料到的有趣的新訊號。在費米實驗室,Bruce Knuteson和Stephen Mrenna多年來一直倡導一種更“整體”的方法,稱為全域性搜尋。他們沒有尋找特定的訊號,而是編寫了軟體,分析所有資料,並將其與所謂的標準模型的預測進行比較,標準模型包含已知的粒子物理定律集。然後,該軟體將任何與標準模型的偏差標記為潛在的新粒子。這有點像擁有一個演算法,它不是在文字中搜索特定單詞,而是將每個單詞與已知單詞的字典進行匹配,並將聽起來像是外語的單詞標記出來。
為了限制誤報——有時普通的粒子會相互作用並模擬其他更有趣的粒子的行為——物理學家可以設定一個閾值,規定在向實驗人員發出可能存在新事物的警報之前,奇異事件可能發生的最小次數。“我們考慮到了我們查看了很多不同位置這一事實,”Knuteson說。
Knuteson、Mrenna及其合作者將他們的方法應用於舊的Tevatron資料。原則上,奇異粒子可能潛伏在以前沒有針對性搜尋的地方。該團隊沒有發現任何具有特定統計學意義的東西,因此他們沒有聲稱有新的發現。但這項努力至少表明,正如一些物理學家擔心的那樣,全域性搜尋不一定會導致許多誤報。《物理評論D》一月號上發表的結果也構成了迄今為止對標準模型最嚴格的測試,已經離開活躍研究的Knuteson說。
牛津大學物理學家路易斯·萊昂斯表示,該團隊的統計資料是可靠的。但多倫多大學物理學家佩卡·西諾沃參與了Tevatron和LHC實驗,但他仍然不相信。“作者不得不將許多理解不清的影響‘掩蓋起來’,而不是直接解決它們,”西諾沃表示,這意味著搜尋產生了大量難以解釋的訊號。儘管如此,他承認,只要全域性搜尋不會分散研究人員對針對特定現象的搜尋的注意力,全域性搜尋可能具有一定的效用,並補充說他“不相信人們能夠使用這種搜尋在LHC上進行早期發現”。
德國弗萊堡大學的物理學家薩沙·卡隆評論說,這可能是真的,但儘管如此,自從Knuteson在本世紀初首次提出全域性搜尋的想法以來,粒子物理學界的大部分人已經對這種想法產生了興趣。卡隆和他的合作者在漢堡的DESY實驗室進行實驗時,開發了他們自己的軟體,用於他們所謂的通用搜索,他們計劃在LHC上做同樣的事情。
Mrenna指出,在Tevatron的經驗也表明,全域性搜尋可以幫助物理學家理解如何解釋資料,例如,探測器如何對各種粒子做出反應。團隊很少交流筆記,因此他們的假設可能相互矛盾。“如果你檢視所有內容,一切都必須有意義,”Mrenna說。