素粒子物理学および天体物理学者は、誤った結果を避けるためにさまざまなツールを使用します
1990年代、ニューメキシコ州の首都から約55 km北西のロスアラモスで行われた実験で、奇妙なことが発見されたようです。
科学者は、他の物質とほとんど相互作用しない3種類の粒子であるニュートリノを数えるために、米国エネルギー省のロスアラモス国立研究所で液体シンチレーターニュートリノ検出器を開発しました。 LSNDで、彼らはニュートリノ振動の証拠-1つのタイプから別のタイプへのニュートリノの遷移を検索しました。
過去のいくつかの実験で、このような振動の兆候が発見され、ニュートリノには粒子物理学の主要理論である標準モデルの一部ではない小さな質量があることがわかりました。 LSNDの科学者は、これらの初期測定値を再検討したかったのです。
同じタイプのニュートリノ-ミューニュートリノ-のほぼ純粋なソースをLSNDで調べると、別のタイプのニュートリノである電子の振動の証拠が発見されました。 しかし、予想よりもはるかに多くのニュートリノが検出器で検出され、別の謎を引き起こしました。
この過剰は、ニュートリノが3つの間ではなく、4つの異なるタイプの間で振動する兆候である可能性があります。
または、別の説明があるかもしれません。 質問は何ですか？ そして、科学者はどのようにして物理学のエラーから身を守ることができますか？
まったく新しいもの
多くの物理学者は、標準モデルを超える結果を探しています。 彼らは予測をテストするための実験を考え出します。 矛盾が見つかった場合、これは潜在的に完全に新しい何かの発見を意味する可能性があります。
「同じ標準モデルを使用した計算の予測は何ですか？」とCERNの研究者であるParis Sfikas氏は述べています。 「もしそうなら、新しいものは何もない。 そうでない場合は、次の質問：「結果は推定値の誤差範囲内に収まりますか？ 結果は推定値のエラーによるものでしょうか？「などなど」。
考えられる要因の大きなリストは、科学者が発見したと信じさせることができます。 科学研究の重要な部分は、実際に何が起こっているのかを確認する方法の特定と発明です。
「コミュニティでの発見の基準は非常に高く、当然のことです」と、エールニュートリノの物理学者であるボニーフレミングは述べています。 「何かを実際に発見したことを確信させるには時間がかかります。」
LSNDの異常の場合、科学者は、これがバックグラウンドイベントの原因ではないのか、何らかの機械的な問題が測定値のエラーを引き起こしたのかどうかに関心があります。
科学者は、結果を再現できるかどうかを確認するために、その後の実験を開発しました。 Fermilabの MiniBooNE実験では、最近、同様の過剰の兆候が報告されました。 たとえば、同じFermilabで実施されたMINOSでは、そのような過剰は検出されず、検索が複雑になります。
「[LSNDおよびMiniBooNE]は、予想される数と比較してイベントの過剰を明確に測定します」と、University College Londonの物理学者であるMINOSの広報担当者、ジェニー・トーマスは言いました。 「これらの信号は重要ですか、それとも単なる誤った評価の背景ですか？」 これは彼らが取り組んでいるものです。」
期待管理
信号を理解する作業のほとんどは、受信前に行われます。 実験を開発する際、研究者はどの物理プロセスが所望の信号を出したり模倣したりできるかを理解する必要があり、これらのイベントはしばしば「バックグラウンド」と呼ばれます。
物理学者は、シミュレーションや実験を通じて背景を予測できます。 いくつかのタイプの背景検出器は、「空の壁の上の望遠鏡の方向」など、「ゼロテスト」によって決定できます。 他のタイプの背景は、データがサブグループ（月曜日からのデータと火曜日からのデータなど）に分割されている場合、「折り畳み式ナイフテスト」を使用して決定できます。 矛盾があると、科学者に、1つのサブグループのみに現れるシグナルについて警告します。
特定の信号を探している研究者は、他の物理プロセスが検出器で同じ信号を与えることができるものをよりよく理解しようとしています。 たとえば、MiniBooNEは、主にミューニュートリノで構成されるビームを研究して、それらが他のタイプに振動する頻度を測定します。 しかし、時々ランダムな電子ニュートリノを拾い、ミューオンニュートリノがそれらに変わったように見えます。 さらに、他の物理プロセスは、電子ニュートリノからの信号をシミュレートできます。
「私たちは彼らのせいでだまされることを知っているので、私たちは何ができるかを理解するために可能な限りのことをしなければなりません」とフレミングは言います。 「そして、私たちが見つけた過剰は、これらのイベントに追加されるべきです。」
人間は、粒子の光線よりもさらに不安定です。 科学は事実を客観的に測定しようとしていますが、このプロセスは、行動がバイアス、個人的な問題、感情に苦しむ可能性のある人々のグループによって実行されます。 実験の結果に関する偏った意見は、研究者の仕事に気付かないほど影響を与える可能性があります。
カリフォルニア大学サンディエゴ校の天体物理学者であり、ノーベル賞受賞者の著者であるブライアン・キーティングは、「科学者は冷静で、計算をする現実の観察者であるというステレオタイプがあると思います」と述べています。報酬につながる報酬は、科学者を正しい行動からそらすことができます。 「実際、私たちはこれらのプロセスに参加しています。人々に影響を与える社会学的な瞬間があります。 科学者は、ステレオタイプにもかかわらず、まったく同じ人々です。」
これを認識し、偏りを排除する方法を使用することは、ステートメントが長年の知識を覆す場合に特に重要です-例えば、ニュートリノの理解。 そのような場合、科学者はよく知られている格言を遵守します。緊急声明には並外れた証拠が必要です。
「家を通り過ぎて車を見たら、これは車だと思うかもしれません」と、カリフォルニア工科大学の研究者であるジョン・カンナーは言います。 -しかし、あなたがドラゴンを見たなら、あなたは思うかもしれません：「それは本当にドラゴンですか？ これはドラゴンだと思う？ 異なるレベルの証拠が必要になります。」
ドラゴンか発見か？
物理学者は以前にドラゴンに苦しんでいます。 たとえば、1969年、科学者のジョーウェーバーは重力波の発見を発表しました。1916年にアルバートアインシュタインによって予測された時空の構造の波紋です。 多くの人が不可能だと考えたこのような発見は、相対性理論の重要な教義を証明するでしょう。 ウェーバーはすぐに名声を知ったが、他の物理学者が彼の結果を再現できないことを発見するまでは。
誤った発見は、重力波の研究者のコミュニティに衝撃を与えました。重力波は、今後数十年間、そのような発表を警戒し始めました。
したがって、2009年にLIGOレーザー干渉計重力波観測所が次の実験に向けて作業を開始したとき、科学者の共同研究により、メンバーが結果に懐疑的であることを確認する新しい方法が考案されました。 彼らは、800人の研究者のほとんどに警告することなく、誤った模擬信号を検出器データストリームに追加する方法を開発しました。 彼らはそれを「盲点注入」と呼んだ。 他のすべてのコミュニティメンバーは、注入が可能であることを知っていましたが、保証されていません。
「私たちは30年間信号を検出していません」とLIGOコラボレーションのメンバーであるKannerは言いました。 「誰もがそれを信じるには、サインはどれほど明確か明白か？」 これにより、私たちはアルゴリズム、統計、手順にさらに重点を置き、社会学をチェックして、このことを人々のグループに納得させることができるかどうかを確かめました。」
2010年の終わりに、チームは待っていた警告を受け取りました。コンピューターは信号を認識しました。 6か月間、数百人の科学者が分析に従事し、最終的に信号は重力波に似ていると結論付けました。 彼らは証拠の詳細な説明とともに作品を書き、400人以上が賛成票を投じました。 そして、プロジェクトマネージャーの1人が、すべてが不正であると言いました。
そのような人工信号をサンプリングして調査するためにそのような時間を費やすことは空に見えるかもしれませんが、チェックは正常に機能しました。 この演習により、科学者は実際の結果を表示する前に厳密に研究するために必要なすべての方法を実行する必要がありました。 これにより、コラボレーションは、実際のイベントの前であっても、可能な信号を検出する信頼性を実証するための新しいテストとアプローチの開発を余儀なくされました。
「ある意味、このシステムは公平になるように設計されていました」とKanner氏は言います。 -ある程度まで誰でも、この実験の結果について自分の推測や期待を持っています。 盲目的注入のアイデアの一部は、このバイアスに対処することで、自然が与えるべきものについての私たちの意見がそのような重要な役割を果たさないようにすることでした。
そして、このすべての努力が報われました。2015年9月、実際の信号がLIGO検出器に到達したとき、科学者は何をすべきかを知っていました。 2016年に、コラボレーションは重力波の最初の確認された直接検出を発表しました。 1年後、このイベントはノーベル賞を受賞しました。
簡単な答えはありません
重力波を研究しているコミュニティではブラインド注入が機能しましたが、物理学の各領域には独自の困難があります。
ニュートリノを研究している物理学者は、彼らの粒子はめったに相互作用しないため、扱うことができるデータのサンプルは非常に少ない。 そのため、 NOvA実験と深部地下ニュートリノ実験では、このような巨大な検出器が使用されます。
天文学者のサンプル数はさらに少なくなります。研究する宇宙は1つしかなく、制御実験を行う方法はありません。 したがって、彼らは何十年も続く観察を行い、可能な限り多くのデータを収集します。
Large Hadron Colliderの研究者は、研究するのに十分な相互作用を持っています-毎秒約6億のイベントがあります。 しかし、テクノロジーの巨大なサイズ、コスト、複雑さのために、科学者はたった1つのLHCを構築しました。 したがって、コライダーの内部には、異なる構造の検出器を使用して同じものを異なる方法で測定することにより、互いの作業をテストできるいくつかの異なる検出器があります。
そして、結果を検証するための多くの原則があります-実験とそのコンテキストを理解し、シミュレーションを実行し、それらがデータと一致することを検証し、結果の代替説明を確認することは良いことです-すべての物理学者が実行する検証の包括的なリストはありません。 実験ごとに異なる戦略が使用されており、地域や地域によって異なります。
科学者は結果を検証するために可能なすべてのことを行う必要があります。最終的には、独立したレビュアーによるテストに合格する必要があるためです。 同僚は新しい結果に異議を唱え、独自の分析を行い、別の解釈を試み、別の方法で測定を繰り返します。 特にドラゴンに関しては。
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