거의 두 가지 노벨상의 이야기를 거의 말해 드리겠습니다. 내가 말하고 싶은 첫 번째상은 1901 년 Wilhelm Röntgen에게 엑스레이 발견을 위해 수여되었습니다. 이 발견의 세부 사항은 그 자체로 매력적이지만, 우리에게 중요한 점은 Röntgen이 전혀 X- 레이를 찾고 있지 않았다는 것입니다. 대신, 그는 다양한 유형의 진공관의 행동을 연구하고있었습니다. 바륨을 함유 한 그의 장비 조각을 예기치 않게 반짝이는 것은 그가 비정상적인 일이 일어나고 있다고 의심하게 만들었습니다. 그는 6 년 안에 스톡홀름에있었습니다.
제가 말하고 싶은 두 번째 노벨상은 두 가지 중요한 방식으로 다릅니다. 첫째, 아직 수여되지 않았으며 결코 가능하지 않을 수도 있습니다. 둘째, 그것은 어떤 의미에서 반대 를 포함합니다. 예상치 못한 발견. 과학자들은 자신이 찾고있는 것을 알고있었습니다. 두 양성자가 함께 부서 질 때 생성 된 매우 드문 입자. 실제로, 약 100 억 개의 충돌에서 한 번만이 입자가 발생합니다. 결과적으로, Röntgen과 같은 예기치 않은 데이터 소스를 고려하지 않고, 그들은 녹음하기에는 너무 방대한 데이터가 있었기 때문에 원시 데이터의 99.995 %를 버렸습니다. 2012 년 7 월 4 일 Higgs Boson의 발견에 대해 이야기하고 있습니다.
Higgs는 수십 년 동안 가장 중요한 물리학 발견 중 하나를 대표했습니다. 소위 입자 물리학의 표준 모델의 최종 조각으로, 기본 입자와 그 상호 작용을 설명합니다. 또한 큰 과학의 승리였습니다. 스위스 제네바 근처의 유럽 핵 연구기구 인 CERN의 LHC (Large Hadron Collider)에서 HIGGS 실험은 수십 개의 페타 바이트 데이터를 생성하여 입자 물리의 역사에서 전례없는 계산 능력을 보여 주었다. 빅 데이터에 의해 구동되는 과학이 우리의 관찰 구체를 중요한 방식으로 확장 할 수 있다는 것은 긍정적 인 증거였습니다. 그러나 과학자들이 자신이 찾고있는 것에 대한 대략적인 아이디어로 실험을 시작하도록 요구함으로써, 우발적 인 발견, 엑스레이뿐만 아니라 포지트론, 초전도체 및 분수 Quantum Hall 효과에 대한 유형에 대한 우발적 인 발견에 대해 어떻게 생각하는지를 바꾸 었는가? 대답은 미묘한 것입니다.
Higgs Boson을 관찰하려면 세 가지 간단한 이유로 엄청난 양의 데이터 수집이 필요합니다. 첫째, 양성자를 함께 충돌하여 생성되지만 대부분의 충돌 (약 100 억 이외의 약 1 명)은 Higgs를 생산하지 못합니다. 둘째, Higgs Boson이 생산되면 부패 제품은 충돌로 인한 유사한 신호의 스프레이에 묻힐 수 있으며 눈에 띄지 않을 수 있습니다. 마지막으로, 입자 물리학 커뮤니티는 발견을 주장하기 전에“5 시그마”수준의 확실성을 요구합니다 (의미가 관찰 된 신호가 통계적 우연 일 가능성이 0.005 % 이하). 이것은 인상적인 표준입니다. 우리가 그 정확도 표준에 대한 미국 대통령 선거 투표를 기록한 경우, 우리는 선거 결과를 알지 못하거나 무기한 리 카운트 과정에 갇힐 수 있습니다.
.대략적인 계산에 따르면 LHC 주변에서 초당 12,000 회 순환하는 고밀도의 충돌 고밀도의 경우에도 현실적인 Higgs Boson 생산 속도로 인해 10 초마다 하나의 Higgs Boson 만 생산됩니다. 그것은 많이 들릴지 모르지만 우리는 iggs를 직접 관찰 할 수 없습니다. 그것이 생성 되 자마자, Higgs는 다양한 "일반적인"입자 쌍으로 붕괴됩니다. 여기에는 바닥 쿼크 및 반 쿼크, W Bosons, Gluons, Taus, Z Bosons, Charm Quarks 및 광자 쌍이 포함될 수 있습니다. 이러한 일반적인 입자는 검출기가 실제로 관찰하는 것입니다 (일부는 전자, 뮤온 및 광자로 부패하지만). 문제는 이러한 동일한 붕괴 제품이 Quark Jets, W Bosons 및 Z Bosons의 직접 생산을 포함하여 다른 많은 상호 작용 목록에 의해 생산된다는 것입니다. 이러한 유형의 "배경 신호"는 Higgs 신호의 강도의 10 배 이상입니다.
이것은 Higgs Boson을 노란 건초 더미에 속담 바늘로 만듭니다. 바늘 대신에, 우리는 특정 필드에서 푸른 잔디 컷을 찾고 있다고 상상해보십시오 (“Higgs Field”라고 부르겠습니다). 건초 더미 전체에 흩어져있는 여러 분야에서 꽃, 잡초 및 푸른 잔디가 흩어져 있으며, 그 중 일부는 "배경 필드"라고 부르겠습니다. 따라서 가능한 모든 길이로 제공됩니다. 건초 더미에 Higgs Field의 녹색 잔디를 포함하여 Higgs Field가 존재했음을 어떻게 증명할 수 있습니까?
우리의 물리학자가 할 일은 건초 더미를 빠르게 체로 체로 체결하고 잡초와 노란 건초를 버리고, 우리가 크기별로 준비 할 녹색 잔디를 남겨 두는 것입니다. 이를 통해 2.5 인치 이상의 블레이드를 관찰하고 Higgs 필드가 존재한다고 결론을 내릴 수 있습니다. 이제 Röntgen의 이야기와 그의 엑스레이 발견을 염두에두고, 우리는 모든 잡초, 건초 및 꽃을 유지하려고 노력할 수 있습니다. 결국, 누가 다른 물리학을 포함 할 수 있는지, 어떤 우발적 인 발견이 발생할 수 있습니까?
이 모든 데이터를 유지할 수없는 이유를 이해하려면 무엇을 생성하는지 고려하십시오. Atlas Detector는 지금까지 지어진 가장 큰 과학기구 중 하나입니다. 15 층 높이의 실린더, 지름 8 층, 액체 아르곤 및 매우 큰 자기장으로 가득 찬 Atlas는 50 나노초마다 100 메가 픽셀 이미지를 생성합니다. 이 모든 데이터를 유지하기 위해 설정된 경우 초당 약 40 테라 바이트의 데이터를 기록해야합니다. 이것을 원근법으로 표현하기 위해, 그것은 실험 기간 동안 지속적으로 전 세계 총 인터넷 용량의 4 배를 기록하는 것과 같은 것입니다.
대신, 우리는 건초를 태워 버린다. 대부분의 경우, 거의 모든 것, 거의 전부는 Higgs 실험의 데이터가 흥미롭지 않은 것으로 폐기됩니다. 이것은 우리가 우발적 인 발견을 할 수 없다는 것을 의미합니까? 반드시 그런 것은 아닙니다. 우리는 흥미로운 모든 것을 유지하기 위해 노력합니다. 지능적으로 그렇게하기 위해, 모든 큰 입자 물리학 실험은 주어진 그림이 유지할 가치가 있는지 신속하게 평가하는 "트리거"시스템을 사용합니다. 오히려 방금 테이크 한 디지털 사진을 한눈에 살펴보면서 어떻게 밝혀 졌는지 확인하는 것과 같습니다. 트리거 시스템은 점차적으로 흥미롭지 않은 그림을 제거하는 정교하고 느리게 느린 알고리즘으로 구성되어 있습니다.
정교한 탐지기 시뮬레이션을 사용하여 이러한 알고리즘의 효율성을 테스트하여 흥미로운 그림을 버리지 않도록합니다. 이것은 항상 쉬운 것은 아닙니다. 예를 들어 다음 두 그림을 고려하십시오.
왼쪽의 그림은 양성자-프로 톤 충돌로 생성 된 두 개의 쿼크입니다. 이는 매우 일반적이며 특히 흥미롭지 않습니다. 쿼크는 두 개의 노란 탑으로 표시되는 입자의 "제트"로 바뀝니다. 오른쪽 그림은 전자와 양전자 (전자의 항 입자)로 z 보손 부패를 보여줍니다. 이는 훨씬 더 드물고 훨씬 흥미 롭습니다. Z 보손은 90 양자 (실제로 Higgs Boson의 질량과 너무 다르지 않음)를 시사하기 때문에 예기치 않은 물리학의 징후 일 수 있습니다. 그러나 Cursory 검사에서 두 사진은 매우 비슷하게 보입니다. 노란색의 두 탑.
좋은 알고리즘은 오른쪽에있는 그림을 흥미롭게 선택하고 다른 사람을 버릴 수 있습니다. 왼쪽 그림의 탑이 펼쳐져있는 반면, 오른쪽 그림의 탑은 연필 층입니다. 또는 왼쪽 그림에 제트가 있고 오른쪽 그림에는 전자가 있습니다. 이러한 미묘한 차이는 각 데이터 세트에서 붕괴 궤적의 에너지와 방향을 기반으로 원래 결정 전 입자의 질량을 계산하여 선택할 수 있습니다.
.우리는 엄청난 컴퓨팅 파워로 이와 같은 분석을 달성 할 수 있습니다. 그리고 iggs를 발견하기 위해 아름답게 작동했습니다. 필터링 후, 우리는 전 세계 컴퓨팅 센터에 배포 된 약 10 만 개의 프로세서의 광대 한 컴퓨터 네트워크를 제공했습니다. 각 충돌에 대해, 우리는 관찰 된 붕괴 입자의 결합 된 질량 (다른 양)으로부터 모 입자의 질량을 계산했다. 대부분의 경우, 우리는 붕괴 입자가 실제로 단일 부모로부터 발행하지 않았기 때문에 그렇게하는 것이 잘못되었습니다. 이것은 우리가 계산 한 질량이 본질적으로 무작위였으며, 측정에 대한 배경 분포를 생성한다는 것을 의미합니다. 그러나, 관찰 된 붕괴 입자는 때때로 두 개의 광자로 부패하는 Higgs Boson과 같은 단일 부모 입자로부터 나왔다. 충분한 데이터를 축적함으로써, 우리는 Higgs Boson의 고유 한 질량에서“범프”를 보았습니다. 그 충돌은 아래 그림과 같이 125 gev/c의 질량에있었습니다.
따라서 흥미롭지 않은 데이터를 필터링하는 것은 어렵지만 작동합니다. 그러나 더 어려운 질문이 있으며, 이는“무관심한”의미를 결정하는 것입니다. 확실히, 큰 에너지 퇴적물은 흥미 롭습니다 (그림 2의 노란색 타워). 희귀 입자의 존재를 나타 내기 때문입니다. 누락 된 에너지도 흥미 롭습니다 (에너지 절약은 물리학의 핵심 원리라는 것을 기억하십시오). 그것은 추적을 떠나지 않고 탐지기를 탈출 한 입자의 존재를 시사하기 때문입니다. 이것들은 유령 중성미자 또는 더 흥미 진진한 초대칭 입자 일 수 있지만 아직 관찰되지 않았다. 그리고 부패 제품 (전자, 광자, 뮤온 등)의 증거는 새로운 것으로 밝혀진 희귀 한 입자의 결과 일 수 있기 때문에 흥미로운 것으로 간주됩니다.
그러나 이러한 모든 "흥미로운"사건은 특정 이해 프레임 워크 내에 정의됩니다. 우리가 Röntgen에게 그의 1901 년 실험의 가능한 흥미로운 결과를 모두 적어달라고 요청했다면, X- 선 노출로 인한 바륨 실험 구성 요소의 섬광은 목록에 있지 않았을 것입니다. 마찬가지로, LHC에서 폐기 된 수백만 개의 페타 바이트의 데이터에는 우리가 무시하고있는 새로운 물리학이 포함되어있을 수 있습니다. 새롭고 예상치 못한 입자 붕괴는 너무 이상하거나 기만적으로 보이면 방아쇠에 의해 버릴 수 있습니다.
너무 부드러운 영역에서는 에너지 절약 위반에 대한 증거가 될 수 있습니다. 찾아야 할 서명이 없기 때문입니다. 우리가 예상 한 충돌 횟수를 신중하게 모니터링했다면, 우리가 예상했던 것만 큼 많지 않았다는 것을 알기 위해서는 충돌이 누락 된 사람들에게 단서를 얻을 수 있지만, 이것은 매우 어렵거나 불가능한 측정 일 수 있습니다. 또한 잡기가 어렵습니다. 새로운 유형의 입자가 붕괴되기 전에 비교적 긴 수명을 가진 일부 유형의 입자가 있습니다. 이것은 검출기의 중간에 가시 입자로 부패한다는 것을 의미합니다. 우리의 트리거 시스템은 검출기의 중심을 거슬러 올라가는 입자에 초점을 맞추기 위해 설계되었으며, 중간에 예기치 않게 나타나는 것이 아니라
.너무 정중 한 전선에서 건초 더미로 돌아가 봅시다. 길이가 2.5 인치 인 노란색 건초가 과도하게 의미가 있다고 가정 해 봅시다. 글쎄, 전체 건초 더미를 지나가는 거의 눈에 띄지 않는 과제를 피하기 위해 우리는 모든 노란색 건초를 태웠다. 따라서 2.5 인치의 노란색 건초 블레이드를 초과하는 우연한 발견은 누군가가 미리 2.5 인치 노란색 빨대가 중요하다고 말하지 않으면 불가능할 것입니다.이 경우 우리는 그것을 버리지 않았을 것입니다.
여러면에서 한편으로 모든 것을 기록하려는 욕구와 다른 한편으로는 실용적이어야 할 필요성 사이의 긴장은 새로운 것이 아닙니다. 그것은 실험실 노트북에 데이터를 쓰는 고독한 과학자부터 수퍼 컴퓨터를 사용하는 수천 명의 국제 팀에 이르기까지 모든 실험의 특징입니다. 그러나이 긴장은 LHC에서 수행되는 것과 같은 큰 데이터 실험에 의해 전례없는 수준으로 증폭됩니다. 이 실험에서“이론 없이는”-새로운 과학에 무작위로 소개되는 것은 더 어렵다. 이론이 매우 잘못되면 실험이 비어 있고 드로잉 보드로 돌아가도록 괜찮을 수도 있습니다. 그러나 많은 이론처럼 당신의 이론이 약간 잘못되면 어떻게해야합니까? 우리는 빛이있는 곳이기 때문에 가로등 기둥 아래를보고 새로운 것을 발견하기 위해 눈을 뜨고 있었지만 그림자에 숨겨져있을 수있는 것은 무엇입니까?
Michael Tuts는 1983 년부터 Columbia University의 물리학 교수였습니다. 그는 기본 세력과 입자를 연구하는 실험적인 초등학교 물리학 자입니다. 현재 그는 CERN의 대형 Hadron Collider의 ATLAS 실험의 미국 파견단의 운영 프로그램 관리자이며 약 500 명의 물리학 자에 대한 지원을 감독합니다. .
