Med blind analys undviker partikelfysiker att lura sig själva

I ett experiment som Atlas vid det stora europeiska partikelfysiklaboratoriet Cern i Schweiz hanterar forskarna 40 miljoner krockar mellan protoner varje sekund.

Partikelfysikens standardmodell beskriver alla kända partiklar och hur de växelverkar och sönderfaller. Den är extremt väl testad. När forskare letar efter något nytt – till exempel partikel som förutsägs i en teoretiskt möjlig utvidgning av standardmodellen – måste de sålla fram mycket ovanliga händelser från ett bakgrundsbrus av enorma mängder välkända partiklar och sönderfall. En slumpmässig variation kan göra att det ser ut som om det finns något där – fast det egentligen inte gör det. Det gäller att utforma sin analys så att den inte mejslar fram och förstärker en sådan slumpeffekt.

Christian Ohm är forskare i partikelfysik vid KTH, och har jobbat med Atlas i femton år. Han är van att arbeta med blinda analyser.

– Blindheten är att man inte tittar där man tror att man kan göra en upptäckt förrän man förstår hur det skulle se ut där om det inte finns något, säger han.

Partiklarna lämnar spår i experimentets instrument, som avslöjar deras laddning och energi. I analyser kombineras spåren, olika mönster sållas fram och skräp rensas bort. Så delas det som finns kvar i olika regioner – till exempel olika energiintervall. Medan forskarna justerar sina olika filter för att rensa fram den intressanta signalen undviker de att titta på den relevanta regionen i riktiga mätdata. Den göms så att säga undan i en separat låda.

För att förstå vad de letar efter gör forskarna simuleringar både av de vanliga, kända partiklarna och reaktionerna, och av den möjliga reaktion som de letar efter. Sedan jämför de sin simulering av bakgrunden med någon region där de inte väntar sig att se något, så att de kan kalibrera simuleringen och se till att den stämmer.

– Sedan öppnar man lådan, säger Christian Ohm.

Det innebär att de använder exakt samma partikelrekonstruktioner och filter och tillämpar dem på den region där de förväntar sig att se något. Om de ser lika mycket som de förväntar sig från standardmodellen, då kan de utesluta den variant av möjlig ny partikel som de letade efter. Om de däremot ser ett överskott, då gäller det att vara försiktig.

– Eftersom vi letar efter så många olika möjliga partiklar eller sönderfall, så ska det rent statistiskt bli fluktuationer i några av regionerna, säger Christian Ohm.

Inom partikelfysiken kräver forskarna väldigt hög konfidensnivå innan de påstår att de har hittat något. De mäter den här tillförlitligheten i standardavvikelser, ”sigma”. De säger inte att de har upptäckt något förrän de har uppnått en konfidensnivå på fem sigma, vilket betyder att sannolikheten är mindre än en på 3,5 miljoner att de skulle se det mönster de ser som ett resultat av slumpen i stället för att det är en verklig effekt.