Experimenty v LHC - jak se vlastně dělají objevy?

Tento článek je překladem původního článku Emmy Sanders (s laskavým svolením autorky) z CERN bulletinu 21-22/2011 s názvem "Experiments at the Large Hadron Collider - How are discoveries made?"

Vzhledem k tomu, že urychlovač LHC běží v téměř rutiním provozu, někteří lidé si možná představují fyziky, jak jen se založenýma rukama čekají ze kterého ze čtyř experimentů nejdříve vyskočí Higgsův boson, aby o tom posléze mohli napsat vědeckou zprávu, a posunout se k objevování dalšího "velkého tajemství vědy". Nicméně tato představa je na míle vzdálená realitě dnešních experimentů částicové fyziky, které jsou založené na statistice, statistice, a pokud byste chtěli vědět na čem ještě, tak na statistice.

Simulovaný rozpad Higgse na 4 muony v detektoru Atlas

Důvodem je to, že nové částice jsou velmi ztěží přímo detekovatelné. Vzdálenost mezi místem kolize a první vrstvou detektoru bývá v řádu několika centimetrů (závisí na typu konkrétního detektoru). To je ovšem ve světě subatomických částic vzdálenost extrémně obrovská. Částice vytvořené při kolizi téměř okamžitě interagují a k jejich rozpadu dojde daleko dříve než se od místa kolize propracují k prvnímu detektoru. Například pokud by v kolizi vzniknul Higgsův boson, očekává se, že by žil pouhou bilióntinu bilióntiny sekundy (10^-24 s) než by došlo k jeho rozpadu na jiné částice, což není čas dostatečný pro dolet k jakémukoliv detektoru. Dokonce i produkty takového prvotního rozpadu se obvykle ještě před dosažením detektoru rozpadnou znova.

Jediný způsob, jak mohou fyzikové vytušit existenci něčeho nového, je provést kompletní analýzu velkého chumlu částic vzniklého po kolizi. Teprve v průběhu času, když při ní opakovaně pozorují tentýž jev, se jejich předpoklady postupně upevňují. Čím máme větší množinu získaných dat, tím více můžeme důvěřovat výsledkům. Bohužel nové částice nevznikají v každé kolizi. Ani zdaleka ne! Nalezení Higgse se dá přirovnat k nalezení jehly v miliónu stohů sena.

Realizace výzkumu tedy často spočívá v pečlivém sběru dat a následné tvorbě grafů (jedním z nejobvyklejších je závislost počtu vyprodukovaných částic na hmotnosti). Před tvorbou grafu se ovšem z dat musí nejprve pečlivě odečíst všechny příspěvky od již známých procesů. Důvodem je to, že již známé částice mohou často procházet podobnými procesy rozpadu nebo vytvářet v detektorech podobné signatury jako ty neznámé. Teprve pokud po takovém odečtení všeho známého v signálech ještě něco zbyde, může to ukazovat na něco nového pro vědce zajímavého.

Při vyhlašovní takového "něčeho nového" často uslyšíte o takzvané hodnotě sigma. Ta vyjadřuje to, jakou jistotu fyzikové mají o tom, že výsledek je skutečný, a nejedná se o pouhou shodu náhod kdesi ve statistice. Hodnota dvou sigma znamená, že existuje 2,3% velká pravděpodobnost, že výsledek není skutečný. Hodnota tří sigma už znamená pouhou 0,15% pravděpodobnost omylu. Nad hodnotou tří sigma už vědci obvykle udělají prvotní oznámení o svém pozorování, ale věc ještě zdaleka nemůže být nazvána novým objevem. Tím ji mohou nazvat až od pěti sigma, což znamená pouhou třímilióntinovou pravděpodobnost omylu - díla nešťastné shody náhod.

A ačkoliv by vám už tří sigmový výsledek mohl připadat docela jistý, nezapomeňte, že fyzikové vytvářejí velké množství různých grafů. Pokud například vykreslíte tisíc různých distribucí, stačí abyste v jediném z těchto grafů uviděli něco, co s novou částicí naprosto nesouvisí, a dosáhli jste už (0,1%) pravděpodobnosti, tedy zhruba hodnoty tří sigma.

Z těchto důvodů je pro nové objevy klíčová takzvaná luminozita. Čím je v LHC více protonů, tím je vyšší počet srážek, tím více dat můžete sesbírat a analyzovat a tím se snižuje pravděpodobnost chyb (zvyšuje počet sigma objevů). Ale to funguje jen do jisté míry. Samotná hodnota sigma ještě neznamená jistotu. Příspěvky od známých částic, které se z dat odečítají, totiž nemusí být známy zcela přesně. To je zdrojem takzvaných systematických chyb, které bohužel s hodnotou sigma nesouvisí.

Dalším zdrojem systematických chyb mohou být různá rozhodnutí fyziků navrhujících a provozujících daný experiment. Příkladem takových rozhodnutí může být volba kritérií rozhodujících o tom, která data z kolizí uchovávat a dále analyzovat. Tato rozhodnutí jsou založena na našich současných znalostech fyziky a směřují k tomu, co chceme nalézt, ale rozhodně nejsou neomylná. Výsledky také mohou ovlivňovat různé parazitní jevy vyplývající z toho, jak je daný experiment navržen.

Proto je velmi důležité porovnání vlastních zjištění daného týmu s výsledky od jiných týmů na jiných experimentech. Komunikační protokol v CERNu zajišťuje, že než některá z laboratoří provede oznámení nového objevu, museli mít vedoucí ostatních LHC experimentů dostatečnou příležitost porovnat dané výsledky se svými měřeními a vyjádřit na věc své názory.

To neznamená, že by snad vzrušení z prvotních známek nového objevu mělo být něčím špatným. Je jen důležité tyto známky hned zasadit do plného kontextu. Dokud nejsou prověřeny velkým množstvím opakovaných experimentů a ověřeny jinými týmy, je nutné je brát s velkou rezervou. Vzhledem ke skvělé kondici a výkonům LHC je míra vědeckého vzrušení a očekávání výsledků v celém CERNu velmi vysoká, a první objevy jsou nepochybně na cestě. Těšte se proto na období letních vědeckých konferencí, na kterých se bezpochyby objeví žeň ověřených vědeckých článků pocházejících od týmů z CERNu.