Første open-access-data fra store kollider bekræfter subatomære partikelmønstre

I november 2014, i det første, uventet træk inden for partikelfysik, eksperimentet Compact Muon Solenoid (CMS) - en af ​​hoveddetektorerne i verdens største partikelaccelerator, Large Hadron Collider - frigivet en enorm mængde data til offentligheden, via et websted kaldet CERN Open Data Portal.

Dataene, registreret og behandlet i løbet af året 2010, udgjorde omkring 29 terabyte information, gav fra 300 millioner individuelle kollisioner af højenergiprotoner i CMS-detektoren. Delingen af ​​disse data markerede første gang, et større partikelkollideringsforsøg havde frigivet en sådan informationscache til offentligheden.

En ny undersøgelse af Jesse Thaler, en lektor i fysik ved MIT og en mangeårig fortaler for åben adgang i partikelfysik, og hans kolleger demonstrerer nu den videnskabelige værdi af dette træk. I et papir, der blev offentliggjort i dag i Fysisk gennemgangsbreve , forskerne brugte CMS -data til at afsløre, for første gang, en universel egenskab inden for jetfly af subatomære partikler, som dannes når protoner med høj energi kolliderer. Deres indsats repræsenterer den første uafhængige, offentliggjort analyse af CMS åbne data.

"Inden for vores partikelfysik, der er ikke tradition for at offentliggøre data, "siger Thaler." At faktisk få data offentligt uden andre begrænsninger - det er uden fortilfælde. "

En del af årsagen til, at grupper ved Large Hadron Collider og andre partikelacceleratorer har beholdt deres ejerskab over deres data, er bekymringen for, at sådanne data kan blive misfortolket af mennesker, der muligvis ikke har en fuldstændig forståelse af de fysiske detektorer, og hvordan deres forskellige komplekse egenskaber kan påvirke de producerede data.

"Bekymringen var, hvis du offentliggjorde dataene, så ville du få folk til at hævde beviser for ny fysik, når det faktisk bare var en fejl i, hvordan detektoren fungerede, "Thaler siger." Jeg tror, ​​man troede, at ingen kunne komme udefra og foretage disse rettelser ordentligt, og at en eller anden useriøs analytiker kunne påstå eksistensen af ​​noget, der ikke rigtig var der. "

"Dette er en ressource, vi nu har, hvilket er nyt inden for vores område, "Tilføjer Thaler." Jeg tror, ​​der var en modvilje mod at forsøge at grave i det, fordi det var hårdt. Men vores arbejde her viser, at vi generelt kan forstå, hvordan vi bruger disse åbne data, at den har videnskabelig værdi, og at dette kan være et springbræt til fremtidig analyse af mere eksotiske muligheder. "

Thalers medforfattere er Andrew Larkoski fra Reed College, Simone Marzani fra State University of New York i Buffalo, og Aashish Tripathee og Wei Xue fra MIT's Center for Theoretical Physics and Laboratory for Nuclear Science.

At se fraktaler i jetfly

Da CMS -samarbejdet offentliggjorde sine data offentligt i 2014, Thaler søgte at anvende nye teoretiske ideer til at analysere oplysningerne. Hans mål var at bruge nye metoder til at studere jetfly, der blev produceret fra protonernes kollision med høj energi.

Protoner er i det væsentlige ophobninger af endnu mindre subatomære partikler kaldet kvarker og gluoner, som er bundet sammen af ​​interaktioner kendt i fysiksproget som den stærke kraft. Et træk ved den stærke kraft, der har været kendt af fysikere siden 1970'erne, beskriver den måde, hvorpå kvarker og gluoner gentagne gange splittes og deler sig i kølvandet på en højenergikollision.

Denne funktion kan bruges til at forudsige energien, der tilføres hver partikel, når den spalter fra en moderkvark eller gluon. I særdeleshed, fysikere kan bruge en ligning, kendt som en evolution ligning eller opdeling funktion, at forudsige mønsteret af partikler, der sprøjter ud fra en indledende kollision, og derfor den generelle struktur af den producerede jet.

"Det er denne fraktallignende proces, der beskriver, hvordan jetfly dannes, "Thaler siger." Men når du ser på en jet i virkeligheden, det er virkelig rodet. Hvordan går du fra det rodede, kaotisk jet, du ser til den grundlæggende styrende regel eller ligning, der genererede den jet? Det er en universel funktion, og alligevel er det aldrig blevet set direkte i den jet, der måles. "

Collider -arv

I 2014, CMS frigav en forbehandlet form for detektorens rådata fra 2010, der indeholdt en udtømmende liste over "partikelstrømningskandidater, "eller de typer af subatomære partikler, der sandsynligvis er frigivet, givet energierne målt i detektoren efter en kollision.

Det følgende år, Thaler udgav et teoretisk oplæg med Larkoski og Marzani, foreslå en strategi for mere fuldstændigt at forstå et kompliceret jetfly på en måde, der afslørede den grundlæggende udviklingsligning, der styrer dens struktur.

"Denne idé havde ikke eksisteret før, "Thaler siger." At du kunne destillere jetens rod i et mønster, og det mønster ville passe smukt til den ligning - det er det, vi fandt, da vi anvendte denne metode til CMS -dataene. "

For at anvende sin teoretiske idé, Thaler undersøgte 750, 000 individuelle jetfly, der blev produceret af protonkollisioner inden for CMS's åbne data. Han kiggede for at se, om mønsteret af partikler i disse stråler passede til, hvad evolutionens ligning forudsagde, givet energier frigivet fra deres respektive kollisioner.

Tager hver kollision en efter en, hans team kiggede på den mest fremtrædende jet, der blev produceret og brugte tidligere udviklede algoritmer til at spore tilbage og adskille de energier, der udsendes, når partikler spaltede igen og igen. Det primære analysearbejde blev udført af Tripathee, som en del af sin MIT bacheloropgave, og af Xue.

"Vi ville se, hvordan denne jet kom fra mindre stykker, "Thaler siger." Ligningen fortæller dig, hvordan energi deles, når tingene splittes, og vi fandt ud af, når du ser på en jet og måler, hvor meget energi der deles, når de deler sig, de er det samme. "

Holdet var i stand til at afsløre opdelingsfunktionen, eller evolution ligning, ved at kombinere oplysninger fra alle 750, 000 jetfly, de studerede, viser, at ligningen - et grundlæggende træk ved den stærke kraft - faktisk kan forudsige en stråles overordnede struktur og energierne fra partikler, der frembringes ved kollision af to protoner.

Selvom dette generelt set ikke er en overraskelse for de fleste fysikere, undersøgelsen repræsenterer første gang denne ligning er set så tydeligt i eksperimentelle data.

"Ingen tvivler på denne ligning, men vi var i stand til at afsløre det på en ny måde, "Thaler siger." Dette er en ren verifikation af, at tingene opfører sig, som du ville forvente. Og det giver os tillid til, at vi kan bruge denne form for åbne data til fremtidige analyser. "

Thaler håber, at hans og andres analyse af CMS åbne data vil anspore andre store partikelfysikeksperimenter til at frigive lignende oplysninger, dels for at bevare deres arv.

"Colliders er store bestræbelser, "Thaler siger." Dette er unikke datasæt, og vi skal sørge for, at der er en mekanisme til at arkivere disse oplysninger for potentielt at kunne opdage ned ad linjen ved hjælp af gamle data, fordi vores teoretiske forståelse ændrer sig over tid. Offentlig adgang er et springbræt for at sikre, at disse data er tilgængelige til fremtidig brug. "