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追根溯源粒子物理学中那些巨大的科学效果到底是怎么被发现的

2020-05-25 19:08:04 来源:腾讯生活 作者:责任编辑。王凤仪0768

简述:研究粒子物理学需要的一些因素及方式,粒子物理学是理论和实验的一场舞蹈。

布朗大学的物理学教授米纳克什•纳拉因(Meenakshi Narain)还记得:1994年冬天的时候,她还在芝加哥附近的费米国家加速器实验室从事DZero实验。(费米实验室用四英里圆周的万亿电子伏特加速器对撞机,每秒产生数以百万的质子与反质子碰撞。CDF和 Dzero(D0)这两个实验,就是用来记录这个碰撞来寻找新的粒子和亚原子过程的痕迹。)由于天气寒冷,她会在工作的时候带一个毛毯到五楼的办公室取暖。那时候她的主要工作就是坐在电脑前翻阅数据,寻找当时还未被发现的顶夸克。

费米国家加速器实验室

几周以来,她的团队一直致力于破译一些在实验中原本未被解释的额外背景信号。最后,他们分析得出的结论竟然与大家合作提出的最初设想相矛盾。纳拉因当时还只是一名博士后研究员,所以她咨询了自己的导师是否应该分享自己团队的研究结果。她的导师告诉她,如果她遵循了科学的方法,并且对自己的分析结果有信心,那么她就应该将这个结果分享出来。

纳拉因说:“我准备了一整套逻辑严密的解释。当我向大家展示我们研究结果的时候,我本以为会遭到一些抵制或批评,但这样的事情并没有发生,我记得每个人都对这个结果表示支持。”

纳拉因认为,这件事情就展示了科研探索和发现的过程:用一系列设计好的科学方法去帮助我们探索我们生活的世界。

“最终,我们用科学办法来进行分析探究得到的发现是正确的。虽然这个结果否定了大家原来的设想,但是我们并不会因此而产生个人矛盾。因为我们的追求是相同的,我们都想要发现新的粒子或者物理现象,或者其他任何存在但却未被发现的事物。这才是我们的目标。”

纳拉因和她的团队利用科学方法得到的分析结果,在一个新的信号的理解中起到了至关重要的作用。而这个信号,后来被证实就是难以捉摸的顶夸克的信号。

在芝加哥附近费米国家加速器实验室费米实验室的cdf探测器上,一个顶夸克和反夸克的生产和衰变。

现代的假说

“科学方法不是一夜之间发明的。”加州大学圣芭芭拉分校负责研究的副校长约瑟夫·因坎代拉(Joseph Incandela)说:“在科学方法还没有完善的时候,人们的想法和现在完全不同。他们都以为,一个假说只要足够完美,他就是真理。人们花了几个世纪的时间才意识到,假说是需要去验证真伪的,验证一个假说的真伪是获取真知的必经之路。”

加州大学圣芭芭拉分校

劳伦斯伯克利国家实验室的高级科学家罗伯特·卡恩(Robert Cahn)说:“对于粒子物理学家来说,科学方法并不是简单的从假说到结论,它更像是一种探索,在这种探索中,我们尽可能精确地去测量各种物理量,从而希望能揭示一些新的东西。”

“我们建造了一个大的加速器,之后我们会对加速器中可能发现的事物提出一些猜想和假说。但这并不是说:这个假说提出来了,我们只要在理论上知道应该去验证或者推翻他就可以了。科学方法不仅仅局限在理论上,它包括的范围比这更大。”费米实验室荣誉退休的著名科学家克里斯·奎格(Chris Quigg)说。

奎格认为:科学研究更多的应该是理论学家和实验主义者之间的持续对话。

他说:“理论学家们尤其会花大量时间提出假说,提炼观点,或者详细阐述某些事物的发生机制。当我们与实验进行对话时,我们的思想将不仅仅局限在理论范围,我们的思维方式也会得到提升和完善。”

接着他补充说道:“在科学探究的过程中有一个很重要的部分:那就是科学家们的思维已经被训练得在得到实验结果支持之前,不会去贸然相信自己提出的假说。”

奎格说:“我们通常不太愿意把自己的假说和猜想看成是真实的,因为我们被教育要把自己的想法看成是需要实验和验证的。能对自己的想法抱有怀疑的态度并且愿意去积极探索是很正确的做法,相反如果你没有这样的态度,你会认为自己的想法就是正确的,你感觉自己知道所有的答案,可能你就会转而去做其他的事情。”

罗伯特·卡恩也认为具有实验精神是很好的品质,他说:“有时我们会发现一个事物,它很像是一个伟大的发现,但是最后经过实验证实,那并不是一个科学发现。”

2015年底,大型强子对撞机进行的两项通用实验的数据中出现了一些线索-----科学家们偶然发现了一个质量为质子750倍的粒子。这个线索的出现促使500多篇科学论文发表,每一篇都试图讲述数据起伏背后的故事。

世界最大粒子加速器欧洲大型强子对撞机(lhc)

奎格说:“如果你为了减少时间的浪费,你会忽略所有这些线索,直到它们出现的次数达到传统的不确定阈值---5西格玛。”“其实只要出现的线索不是特别离谱,而且看起来可能是真的,那么你就可以研究一下它。当然你可以把它看成一种拓展思维的训练。”

奎格认为:在数据波动为750-GeV(吉电子伏特)的情况下,你可以做一个大胆的猜想,这样的粒子可能存在,而且它不会与我们已知的其他事物相矛盾。他说:“这样的猜想和假说有助于我们把它从一个不相关的观察结果变成一个与我们已有知识都有联系的事物。这确实是科学理论的魅力之一,特别是对于现在粒子物理学的研究状态来说,建立理论方面的假说十分重要。它可以使得每一次新的观察结果都可以与我们已有知识相联系,包括我们以前的观察结果。现在最重要的是我们要有足够的观察结果,通过这些结果建立完整的理论体系,这些理论体系可以使任何新事物在不同情况下都能解释得通。”

在收集了更多的数据之后,物理学家们最终排除了这些2015年底的通用实验出现的线索的真实性,理论学家们也只能转而考虑去建立其他的的假说或者猜想。

不确定性的重要性

但有时候一个猜想或者想法却可以促进科研进一步发展。科学家们在发表一项科学成果时,他们所做的许多工作都涉及到他们对自己科研结果的了解程度:不确定性是什么?我们如何去量化它?

“如果说研究粒子物理学和宇宙学等和其紧密相关领域的科学方法有什么特征的话,那就是我们的结果总是带有一个误差条,”卡恩说。“一个没有不确定性的结果是没有价值的。”

在粒子物理实验中,一些不确定性来自实验的背景,比如说纳拉因的团队发现的数据模拟了他们从顶夸克中寻找的那种信号,就来自于未被解释的额外背景信号。这种不确定性被称为系统不确定性,它通常是由实验中不能完全被了解的方面引入的。

布鲁克海文国家实验室的物理学家赫里奥·特卡伊(Helio Takai)说:“当你建造一个探测器时,你必须确保无论你将来看到什么信号,都不能使之与背景混淆。所有的元素、传感器和电子设备都是在这样的想法下设计的。要做到这些,你还必须利用之前做过的所有实验中积累的知识。”

美国布鲁克海文国家实验室

仔细研究系统的不确定性是消除偏差和获得可靠结果的最佳方法。“如果你忽略并且低估了系统的不确定性,那么你就会过分看重信号的重要性。”纳拉因说。“但是如果你过分看重系统的不确定性,那么你可能会忽略并且扼杀你发现的重要信号。所以,当你在理解问题所在时,真的是在走一条微妙的线。数据欺骗你的方式多种多样。在你试图探究发现数据到底是如何欺骗你的时候,这本身就构成了一门艺术,而且它真正定义了思维过程。”

物理学家还必须考虑统计不确定性,与系统不确定性不同,统计不确定性只是因为数据量太少,才会造成一些错误的结果。

“我们所做的每一次测量,都有很大的可能是一次错误的测量,因为在我们做实验的时候,所有的事情都是随机发生的,”特卡伊说。“在粒子物理学中,你在做实验时会产生很多粒子。所以很多粒子有一定的概率会共同作用,让它看起来像是你正在寻找的粒子。”

特卡伊说:“你可以把这样的一个过程想象成把你的手放进一袋M&Ms巧克力豆里,如果你最先选的几颗M&Ms巧克力豆是棕色的,而你一开始并不知道袋子里还有别的颜色,这时你会认为整个袋子里都是棕色的巧克力豆。直到你拿出一颗蓝色的M&M巧克力豆,你才会意识到袋子不止一种颜色的巧克力豆。”

M&Ms巧克力豆

粒子物理学家通常希望他们的测量结果至少对应5西格玛的统计意义,这样的测量意味着只有0.00003%的概率出现统计波动,使得观测到的结果误差变大甚至超额。

工作中的科学方法

在实际工作中,出现了同时认真考虑统计不确定性和系统不确定性的科学方法。2012年时,大型强子对撞机(LHC) ATLAS和CMS实验的发言人宣布发现希格斯玻色子正是这一科学方法应用后令人震惊的实例之一。

希格斯玻色子又被称为“上帝粒子”

半个多世纪的理论和实验的积淀造就了这一时刻。20世纪50年代以来的实验积累了大量关于粒子相互作用的信息,但这些相互作用只有一部分被理解,而且他们的来源似乎没有一点联系。

“但杰出的理论物理学家找到了一种方法,他们制作了一种简单的单一模型,这种模型让他们能够很好地描述所有已知的现象。”发现希格斯粒子期间担任CMS实验发言人的因坎德拉说。“我们并不能保证希格斯场是否真的存在,我们只能肯定这个模型适用于我们已做过的实验和已经看到的一切,接下来我们应该看看是否真的有一个玻色子,如果我们大家可以找到玻色子,那么希格斯场就是存在的。”

要找到玻色子的愿望导致了长达一代人的努力来建造一个加速器,这个加速器能够达到产生希格斯玻色子(希格斯场中产生的一种粒子)所需的极高能量。然后科学家们还建造了两个巨大的探测器,如果希格斯玻色子出现的话,探测器就会探测到。

建造两个不同的探测器将使科学家们能够对他们的工作进行两次检查。如果一个相同的信号出现在由两个不同的物理学家小组进行的两个不同的实验中,那么这个信号就有很大的可能性是一个真实的信号。

“通过这件事情你能够正常的看到科学方法的一个非常漂亮的应用,我们用科学方法证实了一些非常难以证实的事情。而且整一个完整的过程我们做得非常好,我们积攒了很多失败的经验,也运用了很多出色的实验方法。”因坎德拉说。“科学方法已经深深地扎根于我们所做的每一件事中,达到了极致。所以当我们正真看到一些实验观测中真实存在的结果或者事实时,我们都会很认真的对待他们。”

科学方法是如此根深蒂固存在于科学家的脑海中,以至于科学家们不需要经常提到这些方法的名字,但是能否很好地将科学方法实施到实验中才是区别伟大科学家、普通科学家和三流科学家的重要依据。因坎德拉说:“要想做到很好地应用科学方法,需要不断进行大量的检查反思,还有对你正在做的事情有深入的了解。”

作者: Ali Sundermier

FY: 小小的兔子

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