[Перевод] Как не обмануться, занимаясь физикой

Специалисты по физике частиц и астрофизики применяют разнообразные инструменты во избежание получения ошибочных результатов

В 1990-х в эксперименте, проводившемся в Лос-Аламосе, примерно в 55 км к северо-западу от столицы Нью-Мексико, вроде бы обнаружилось что-то странное.

Учёные разработали детектор нейтрино с жидким сцинтиллятором [Liquid Scintillator Neutrino Detector] в Национальной лаборатории Лос-Аламоса при Министерстве энергетики США для того, чтобы подсчитывать нейтрино — неуловимые частицы, бывающие трёх типов и редко взаимодействующие с другой материей. На LSND искали свидетельства нейтринных осцилляций – перехода нейтрино из одного типа в другой.

В нескольких предыдущих экспериментах были обнаружены признаки подобных осцилляций, из чего следовало, что у нейтрино имеются небольшие массы, не входящие в Стандартную Модель, главную теорию физики частиц. Учёные на LSND хотели заново проверить те ранние измерения.

Изучая почти чистый источник однотипных нейтрино – мюонных нейтрино – на LSND обнаружили свидетельство осцилляций в другой тип нейтрино, электронные. Однако, в детекторе обнаружилось гораздо больше нейтрино, чем было предсказано, что породило очередную загадку.

Этот избыток мог быть признаком того, что нейтрино осциллируют не между тремя, а между четырьмя различными типами, что означало бы существование нового типа нейтрино, стерильного – такое предложение внесли теоретики для включения крохотных масс нейтрино в Стандартную Модель.

Или же могло быть и другое объяснение. Вопрос – какое? И как учёным защититься от ошибок в физике?

Нечто совершенно новое

Многие физики разыскивают результаты, выходящие за пределы Стандартной Модели. Они придумывают эксперименты для проверки предсказаний; если они обнаруживают какие-то несоответствия, это может потенциально означать открытие чего-то совершенно нового.

«Получаем ли мы в результате то, что предсказывали вычисления, если пользоваться одной Стандартной Моделью?» – говорит Пэрис Сфикас, исследователь из ЦЕРН. «Если да, тогда ничего нового у нас нет. Если нет, тогда следующий вопрос: „Попадает ли результат в пределы погрешностей наших оценок? Может ли результат возникнуть из-за ошибки оценок?“ И так далее, и тому подобное».

Большой список возможных факторов может заставить учёных поверить в то, что они сделали открытие. Важной частью научных исследований является их выявление и изобретение способов проверить, что происходит на самом деле.

«Планка для открытия в сообществе весьма высока, и это правильно», — говорит Бонни Флеминг, физик из Йельского университета нейтрино. «Нужно время на то, чтобы убедить самих себя в том, что мы действительно что-то обнаружили».

В случае с аномалией на LSND учёным интересно, произошло ли это из-за неучтённых фоновых событий, или же некая механическая проблема привела к ошибке в измерениях.

Учёные разработали последующие эксперименты, чтобы увидеть, получится ли воспроизвести результат. В эксперименте MiniBooNE, проводящемся в Фермилаб, недавно сообщили о признаках похожего избытка. В других экспериментах, к примеру, в MINOS, проводящемся в той же Фермилаб, такого избытка не обнаружено, что лишь затрудняет поиски.

«[LSND и MiniBooNE] явно измеряют избыток событий по сравнению с ожидаемым количеством», — сказала представитель MINOS Дженни Томас, физик из Университетского колледжа Лондона. «Важны ли эти сигналы, или это просто неправильно оцененный фон? Вот, над чем они работают».

Управление ожиданиями

Большая часть работы по пониманию сигнала происходит ещё до того, как он будет получен. При разработке эксперимента исследователям нужно понять, какие физические процессы могут выдать или сымитировать искомый сигнал, и эти события часто называют «фоном».

Физики могут предсказывать фон при помощи симуляций или экспериментов. Некоторые типы фона детекторов можно определить через «нулевые тесты», например, направление телескопа на пустую стену. Другие типы фона можно определить при помощи испытаний с данными, «тесты складного ножа», когда данные разбивают на подгруппы – допустим, данные с понедельника и данные с вторника – которые по определению должны выдать одинаковые результаты. Любые несоответствия предупредят учёных о сигнале, появляющемся только в одной подгруппе.

Исследователи в поиске определённого сигнала пытаются лучше разобраться в том, какие иные физические процессы могут выдать такой же сигнал в детекторе. К примеру, MiniBooNE изучает луч, состоящий в основном из мюонных нейтрино, чтобы измерять, как часто они осциллируют в другие типы. Но иногда он улавливает случайные электронные нейтрино, и выглядит это так, будто в них превратились мюонные нейтрино. Кроме этого, и другие физические процессы могут имитировать сигнал от электронного нейтрино.

«Мы знаем, что будем из-за них обманываться, поэтому мы должны сделать всё возможное, чтобы понять, сколько их может быть, — говорит Флеминг. – И найденный нами избыток должен добавляться к этим событиям».

Человеческие существа непостоянны ещё сильнее луча частиц. Наука пытается объективно измерять факты, но этот процесс выполняет группа людей, чьи действия могут страдать от предвзятости, личных проблем и эмоций. Предвзятое мнение о результате эксперимента может незаметно повлиять на работу исследователя.

«Думаю, есть такой стереотип, что учёные – это такие бесстрастные, холодные и расчётливые наблюдатели за реальностью», — говорит Брайан Китинг, астрофизик из Калифорнийского университета в Сан-Диего, автор книги «Теряя нобелевскую премию», где описывается, как желание совершить открытие, приводящее к награде, может отвлечь учёного от правильного поведения. «На самом деле мы участвуем в этих процессах, имеют место социологические моменты, влияющие на людей. Учёные, несмотря на стереотипы, являются точно такими же людьми».

Осознавать это и использовать методы, устраняющие предвзятость, особенно важно, если какое-то заявление переворачивает давно существующее знание – к примеру, наше понимание нейтрино. В таких случаях учёные придерживаются известного афоризма: чрезвычайные заявления требуют чрезвычайных доказательств.

«Если вы идёте мимо своего дома и видите машину, вы можете подумать: „Это машина“, — говорит Джона Каннер, исследователь из Калтеха. – Но если вы видите дракона, вы можете подумать: „А на самом ли деле это дракон? Уверен ли я, что это дракон? Вам понадобятся свидетельства другого уровня“.

Дракон или открытие?

Физики и раньше страдали от драконов. К примеру, в 1969 учёный Джо Вебер объявил об обнаружении гравитационных волн: ряби на ткани пространства-времени, предсказанной Альбертом Эйнштейном в 1916 году. Такое обнаружение, которое многие считали невозможным, доказало бы ключевой догмат теории относительности. Вебер познал мгновенную славу, но только до тех пор, пока другие физики не обнаружили, что не могут воспроизвести его результаты.

Ложное открытие потрясло сообщество исследователей гравитационных волн, которое на несколько последующих десятилетий стало осторожно относиться к подобным объявлениям.

Поэтому в 2009 году, когда лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO заработала с целью провести следующий эксперимент, коллаборация учёных придумала новый способ убедиться в том, что её члены будут подходить к своим результатам скептически. Они разработали метод добавления ложного, симулированного сигнала в поток данных детектора, не предупреждая об этом большую часть из 800 исследователей. Они назвали его „слепым вливанием“. Все остальные члены сообщества знали, что вливание возможно, но не гарантировано.

»Мы 30 лет не обнаруживали никаких сигналов, — сказал Каннер, член коллаборации LIGO. – Насколько ясным или очевидным должен быть признак, чтобы все в него поверили? Это заставило нас посильнее налегать на алгоритмы, статистику и процедуры, а также проверять социологию и смотреть, можем ли мы убедить в этом группу людей».

В конце 2010 года команда получила предупреждение, которого они ждали: компьютеры распознали сигнал. Шесть месяцев сотни учёных занимались анализом, и в итоге заключили, что сигнал был похож на гравитационные волны. Они написали работу с подробным описанием свидетельств, и более 400 человек проголосовали за её одобрение. А потом один из руководителей проекта сказал им, что всё это было подстроено.

Трата такого количества времени на выборку и изучение такого искусственного сигнала может показаться пустой, но проверка сработала так, как надо. Это упражнение заставило учёных проработать все методы, необходимые для пристального изучения реального результата ещё до того, как он появится. Это заставило коллаборацию разработать новые тесты и подходы, чтобы продемонстрировать надёжность обнаружения возможного сигнала ещё до наступления реального события.

«В некотором смысле, эта система была разработана, чтобы мы судили честно, — говорит Каннер. – Любой до некоторой степени имеет свои догадки или ожидания по поводу результатов этого эксперимента. Частью идеи слепого вливания было затронуть эту предвзятость, чтобы наше мнение по поводу того, что должна выдать природа, не играли бы такой важной роли».

И вся эта тяжёлая работа оправдала себя: в сентябре 2015 года, когда реальный сигнал дошёл до детекторов LIGO, учёные знали, что нужно делать. В 2016 году коллаборация объявила о первом подтверждённом прямом обнаружении гравитационных волн. Год спустя это событие завоевало нобелевскую премию.

Без лёгких ответов

И хотя слепые вливания сработали для сообщества, изучающего гравитационные волны, каждая область физики обладает своими уникальными трудностями.

У физиков, изучающих нейтрино, есть крайне малая выборка данных, с которой они могут работать, поскольку их частицы взаимодействуют так редко. Поэтому эксперименты NOvA и глубокий подземный нейтринный эксперимент используют такие гигантские детекторы.

У астрономов выборки ещё меньше: у них для изучения есть всего одна вселенная, и не существует возможности проводить контрольные эксперименты. Поэтому они проводят наблюдения, длящиеся десятилетиями, собирая как можно больше данных.

Исследователям на Большом адронном коллайдере хватает взаимодействий для изучения – каждую секунду там происходят порядка 600 млн событий. Но из-за огромного размера, стоимости и сложности технологии, учёные построили только один БАК. Поэтому внутри коллайдера находится несколько разных детекторов, которые могут проверять работу друг друга, измеряя одни и те же вещи разными способами при помощи детекторов различного строения.

И хотя существует много принципов проверки результатов – хорошо разбираться в эксперименте и его контексте, запускать симуляции и проверять, что они совпадают с данными, проверять альтернативные объяснения результата – не существует всеобъемлющего списка проверок, который выполнял бы каждый физик. В разных экспериментах используются разные стратегии, меняющиеся от области к области и время от времени.

Учёные обязаны делать всё, что можно, чтобы проверять результат, поскольку в конечном итоге ему предстоит пройти проверку независимыми рецензентами. Коллеги будут оспаривать новый результат, подвергать его собственному анализу, пытаться приводить альтернативные интерпретации, и повторить измерения другим способом. Особенно, если речь идёт о драконах.

Больше статей на научно-популярную тему вы сможете найти на сайте Golovanov.net. Читайте также: почему наше восприятие времени неоднородно; когда появились тёмная материя и тёмная энергия; как построить башню высотой до космоса; почему Хаббл не видит самые первые галактики; серию статей по космологии «Спросите Итана«.

Напоминаю, что проект существует только благодаря поддержке читателей (банковские карты, яндекс.деньги, вебмани, биткоины, да хоть как). Спасибо всем, кто уже оказал поддержку!

Теперь поддержать проект можно и через сервис автоматической подписки Patreon!