碰撞的哲学:更智能的算法帮助寻找新的粒子

一种在加速器碎片中搜寻粒子的新方法

在2008年经历了一次失败的启动后,位于日内瓦附近欧洲核子研究中心(CERN,欧洲粒子物理实验室)的大型强子对撞机(LHC)这个闪亮的新型原子加速器终于计划于今年十月开始其实验。LHC可能会或可能不会喷射出暗物质、迷你黑洞或其他奇异物质。但无论如何,弄清楚会产生什么将是一项极其艰巨的任务。一种有争议的数据分析方法可能有助于物理学家确保他们不会错过任何有价值的东西。

LHC和其他加速器,如位于伊利诺伊州巴塔维亚费米国家加速器实验室的Tevatron,将质子或其他粒子加速到接近光速并使它们碰撞。感谢阿尔伯特·爱因斯坦的E = mc2,部分碰撞能量转化为稀有的重粒子,这些粒子几乎立即衰变为数百个更普通的粒子(其中已知有数十种不同的类型)。LHC巨大的探测器将记录这些碎片的通过,并以惊人的速度产生数据,相当于每秒一张CD-ROM。

物理学家将在信息中搜寻特定的衰变产物组合,这些组合可能表明已经产生了新的粒子。他们将寻找希格斯玻色子的迹象,这是一种长期寻求的粒子,据推测它赋予其他粒子质量,以及可能首次揭示更高能量物理定律的全新粒子。


支持科学新闻报道

如果您喜欢这篇文章,请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道: 订阅。通过购买订阅,您正在帮助确保未来能够继续产出关于塑造我们当今世界的发现和思想的有影响力的报道。


但有些人担心,这种类似于在文本中运行计算机算法搜索字母H-I-G-G-S的传统方法,最终可能会错过无人预料到的有趣的新信号。在费米实验室,Bruce Knuteson和Stephen Mrenna多年来一直倡导一种更“整体”的方法,称为全局搜索。他们没有寻找特定的信号,而是编写了软件,分析所有数据,并将其与所谓的标准模型的预测进行比较,标准模型包含已知的粒子物理定律集。然后,该软件将任何与标准模型的偏差标记为潜在的新粒子。这有点像拥有一个算法,它不是在文本中搜索特定单词,而是将每个单词与已知单词的字典进行匹配,并将听起来像是外语的单词标记出来。

为了限制误报——有时普通的粒子会相互作用并模拟其他更有趣的粒子的行为——物理学家可以设置一个阈值,规定在向实验人员发出可能存在新事物的警报之前,奇异事件可能发生的最小次数。“我们考虑到了我们查看了很多不同位置这一事实,”Knuteson说。

Knuteson、Mrenna及其合作者将他们的方法应用于旧的Tevatron数据。原则上,奇异粒子可能潜伏在以前没有针对性搜索的地方。该团队没有发现任何具有特定统计学意义的东西,因此他们没有声称有新的发现。但这项努力至少表明,正如一些物理学家担心的那样,全局搜索不一定会导致许多误报。《物理评论D》一月号上发表的结果也构成了迄今为止对标准模型最严格的测试,已经离开活跃研究的Knuteson说。

牛津大学物理学家路易斯·莱昂斯表示,该团队的统计数据是可靠的。但多伦多大学物理学家佩卡·西诺沃参与了Tevatron和LHC实验,但他仍然不相信。“作者不得不将许多理解不清的影响‘掩盖起来’,而不是直接解决它们,”西诺沃表示,这意味着搜索产生了大量难以解释的信号。尽管如此,他承认,只要全局搜索不会分散研究人员对针对特定现象的搜索的注意力,全局搜索可能具有一定的效用,并补充说他“不相信人们能够使用这种搜索在LHC上进行早期发现”。

德国弗莱堡大学的物理学家萨沙·卡隆评论说,这可能是真的,但尽管如此,自从Knuteson在本世纪初首次提出全局搜索的想法以来,粒子物理学界的大部分人已经对这种想法产生了兴趣。卡隆和他的合作者在汉堡的DESY实验室进行实验时,开发了他们自己的软件,用于他们所谓的通用搜索,他们计划在LHC上做同样的事情。

Mrenna指出,在Tevatron的经验也表明,全局搜索可以帮助物理学家理解如何解释数据,例如,探测器如何对各种粒子做出反应。团队很少交流笔记,因此他们的假设可能相互矛盾。“如果你查看所有内容,一切都必须有意义,”Mrenna说。

© . All rights reserved.