In november 2014, in een eerste, onverwachte zet op het gebied van deeltjesfysica, het Compact Muon Solenoid (CMS) experiment - een van de belangrijkste detectoren in 's werelds grootste deeltjesversneller, de Large Hadron Collider - heeft een enorme hoeveelheid gegevens aan het publiek vrijgegeven, via een website genaamd het CERN Open Data Portal.

De gegevens, geregistreerd en verwerkt gedurende het jaar 2010, bedroeg ongeveer 29 terabyte aan informatie, leverde 300 miljoen individuele botsingen van hoogenergetische protonen binnen de CMS-detector op. Het delen van deze gegevens was de eerste keer dat een groot experiment met een deeltjesversneller een dergelijke informatiecache aan het grote publiek had vrijgegeven.

Een nieuwe studie van Jesse Thaler, een universitair hoofddocent natuurkunde aan het MIT en een lange tijd pleitbezorger voor open toegang in deeltjesfysica, en zijn collega's tonen nu de wetenschappelijke waarde van deze stap aan. In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , de onderzoekers gebruikten de CMS-gegevens om te onthullen, Voor de eerste keer, een universeel kenmerk binnen jets van subatomaire deeltjes, die ontstaan ​​wanneer hoogenergetische protonen botsen. Hun inspanning vertegenwoordigt de eerste onafhankelijke, gepubliceerde analyse van de open data van het CMS.

"Op ons gebied van deeltjesfysica, er is niet de traditie om gegevens openbaar te maken, "zegt Thaler. "Om daadwerkelijk gegevens openbaar te krijgen zonder andere beperkingen - dat is ongekend."

Een deel van de reden waarom groepen bij de Large Hadron Collider en andere deeltjesversnellers hun gegevens in eigendom hebben gehouden, is de bezorgdheid dat dergelijke gegevens verkeerd kunnen worden geïnterpreteerd door mensen die misschien geen volledig begrip hebben van de fysieke detectoren en hoe hun verschillende complexe eigenschappen kunnen invloed hebben op de geproduceerde gegevens.

"De zorg was, als u de gegevens openbaar heeft gemaakt, dan zou je mensen hebben die bewijs claimen voor nieuwe fysica, terwijl het eigenlijk gewoon een storing was in hoe de detector werkte, zegt Thaler. "Ik denk dat men geloofde dat niemand van buitenaf kon komen om die correcties goed uit te voeren, en dat een of andere malafide analist het bestaan ​​zou kunnen claimen van iets dat er niet echt was."

"Dit is een hulpmiddel dat we nu hebben, wat nieuw is in ons vakgebied, " Thaler voegt eraan toe. "Ik denk dat er een terughoudendheid was om te proberen erin te graven, omdat het moeilijk was. Maar ons werk hier laat zien dat we in het algemeen kunnen begrijpen hoe we deze open data moeten gebruiken, dat het wetenschappelijke waarde heeft, en dat dit een opstap kan zijn naar toekomstige analyse van meer exotische mogelijkheden."

Thalers co-auteurs zijn Andrew Larkoski van Reed College, Simone Marzani van de State University van New York in Buffalo, en Aashish Tripathee en Wei Xue van MIT's Centre for Theoretical Physics and Laboratory for Nuclear Science.

Fractalen in jets zien

Toen de CMS-samenwerking haar gegevens in 2014 openbaar maakte, Thaler probeerde nieuwe theoretische ideeën toe te passen om de informatie te analyseren. Zijn doel was om nieuwe methoden te gebruiken om jets te bestuderen die zijn geproduceerd door de hoogenergetische botsing van protonen.

Protonen zijn in wezen ophopingen van nog kleinere subatomaire deeltjes die quarks en gluonen worden genoemd. die met elkaar verbonden zijn door interacties die in de natuurkunde bekend staan ​​als de sterke kracht. Een kenmerk van de sterke kracht die natuurkundigen sinds de jaren zeventig kennen, beschrijft de manier waarop quarks en gluonen zich herhaaldelijk splitsen en delen in de nasleep van een botsing met hoge energie.

Deze functie kan worden gebruikt om de energie te voorspellen die aan elk deeltje wordt gegeven wanneer het zich splitst van een moeder-quark of gluon. Vooral, natuurkundigen kunnen een vergelijking gebruiken, bekend als een evolutievergelijking of splitsingsfunctie, om het patroon van deeltjes te voorspellen die uit een eerste botsing spatten, en daarmee de algehele structuur van de geproduceerde jet.

"Het is dit fractal-achtige proces dat beschrijft hoe jets worden gevormd, "zegt Thaler. "Maar als je in werkelijkheid naar een jet kijkt, het is echt rommelig. Hoe kom je van deze rommelige, chaotische jet die je ziet op de fundamentele regel of vergelijking die die jet heeft gegenereerd? Het is een universele functie, en toch is het nooit direct gezien in de jet die wordt gemeten."

Collider erfenis

In 2014, de CMS heeft een voorbewerkte vorm vrijgegeven van de onbewerkte gegevens van de detector uit 2010 die een uitputtende lijst bevatten van "kandidaten voor deeltjesstromen, " of de soorten subatomaire deeltjes die het meest waarschijnlijk zijn vrijgekomen, gegeven de energieën gemeten in de detector na een botsing.

Volgend jaar, Thaler publiceerde een theoretisch artikel met Larkoski en Marzani, een strategie voorstellen om een ​​gecompliceerde jet beter te begrijpen op een manier die de fundamentele evolutievergelijking onthulde die de structuur ervan bepaalt.

"Dit idee bestond nog niet eerder, "zegt Thaler. "Dat je de rommeligheid van de jet in een patroon zou kunnen distilleren, en dat patroon zou prachtig passen bij die vergelijking - dit is wat we ontdekten toen we deze methode toepasten op de CMS-gegevens."

Om zijn theoretische idee toe te passen, Thaler onderzocht 750, 000 individuele jets die werden geproduceerd uit protonbotsingen binnen de CMS open data. Hij keek of het patroon van deeltjes in die jets overeenkwam met wat de evolutievergelijking voorspelde, gezien de energieën die vrijkomen bij hun respectieve botsingen.

Elke botsing één voor één bekijken, zijn team keek naar de meest prominente jet die werd geproduceerd en gebruikte eerder ontwikkelde algoritmen om de energieën te traceren en te ontwarren die werden uitgezonden terwijl deeltjes steeds opnieuw werden gesplitst. Het primaire analysewerk werd uitgevoerd door Tripathee, als onderdeel van zijn MIT-bachelorscriptie, en door Xue.

"We wilden zien hoe deze jet uit kleinere stukken kwam, "zegt Thaler. "De vergelijking vertelt je hoe energie wordt gedeeld wanneer dingen splitsen, en we ontdekten dat als je naar een jet kijkt en meet hoeveel energie er wordt gedeeld wanneer ze zich splitsen, ze zijn hetzelfde."

Het team kon de splitsingsfunctie onthullen, of evolutie vergelijking, door informatie uit alle 750 te combineren, 000 jets die ze bestudeerden, wat aantoont dat de vergelijking - een fundamenteel kenmerk van de sterke kracht - inderdaad de algehele structuur van een straal en de energieën van deeltjes kan voorspellen die worden geproduceerd door de botsing van twee protonen.

Hoewel dit voor de meeste natuurkundigen over het algemeen geen verrassing zal zijn, de studie vertegenwoordigt de eerste keer dat deze vergelijking zo duidelijk is gezien in experimentele gegevens.

"Niemand twijfelt aan deze vergelijking, maar we waren in staat om het op een nieuwe manier bloot te leggen, "zegt Thaler. "Dit is een duidelijke bevestiging dat de dingen zich gedragen zoals je zou verwachten. En het geeft ons vertrouwen dat we dit soort open data kunnen gebruiken voor toekomstige analyses."

Thaler hoopt dat de analyse van zijn en anderen van de CMS-open data andere grote deeltjesfysica-experimenten zal aansporen om soortgelijke informatie vrij te geven. deels om hun erfenis te behouden.

"Colliders zijn grote inspanningen, Thaler zegt. "Dit zijn unieke datasets, en we moeten ervoor zorgen dat er een mechanisme is om die informatie te archiveren, zodat we later mogelijk ontdekkingen kunnen doen met behulp van oude gegevens, omdat ons theoretisch begrip in de loop van de tijd verandert. Openbare toegang is een opstapje om ervoor te zorgen dat deze gegevens beschikbaar zijn voor toekomstig gebruik."