Wat als je een nieuwe theorie zou kunnen testen aan de hand van gegevens van de Large Hadron Collider (LHC)? Beter nog, wat als de deskundige kennis die nodig is om dit te doen in een handig formaat is vastgelegd? Deze grote opdracht is nu onderweg van de ATLAS-samenwerking bij CERN, met de eerste open publicatie van volledige analysewaarschijnlijkheden van een LHC-experiment.

"In de deeltjesfysica experimentatoren ontwikkelen een zeer rijke samenvatting van metingen, die alle relevante verstrooiingsprocessen en elke bron van onzekerheid verklaren, ingekapseld in wat we noemen waarschijnlijkheden , " legt Lukas Heinrich uit, CERN-onderzoeker werkt voor het ATLAS-experiment. "Waarschijnlijkheden stellen je in staat om de kans te berekenen dat de gegevens die in een bepaald experiment worden waargenomen, overeenkomen met een specifiek model of theorie. Effectief, het vat elk aspect van een bepaalde analyse samen, van de detectorinstellingen, evenement selectie, verwachte signaal- en achtergrondprocessen, tot onzekerheden en theoretische modellen." Buitengewoon complex en kritisch voor elke analyse, waarschijnlijkheden zijn een van de meest waardevolle instrumenten die bij de LHC-experimenten zijn geproduceerd. Hun openbare publicatie stelt fenomenologen over de hele wereld nu in staat om ATLAS-gegevens op een geheel nieuwe manier te verkennen.

De open kansen van ATLAS zijn beschikbaar op HEPData, een open-access opslagplaats voor experimentele gegevens over deeltjesfysica. De eerste open kansen die werden vrijgegeven, waren voor een zoektocht naar supersymmetrie in proton-protonbotsingsgebeurtenissen die Higgs-bosonen bevatten, talrijke stralen van b-quarks en ontbrekend transversaal momentum. "Terwijl ATLAS in 2013 waarschijnlijkheidsscans had gepubliceerd gericht op het Higgs-deeltje, die hebben niet de volledige complexiteit van de metingen blootgelegd, " zegt Kyle Cranmer, Hoogleraar aan de Universiteit van New York. "We hopen dat deze eerste release - die de volledige waarschijnlijkheid in al hun glorie biedt - een nieuwe communicatiebrug zal vormen tussen theoretici en experimentatoren, verrijking van het discours tussen de gemeenschappen."

De zoektocht naar nieuwe fysica zal aanzienlijk profiteren van open kansen. "Als je een theoreticus bent die een nieuw idee ontwikkelt, uw eerste vraag is waarschijnlijk:"Is mijn model al uitgesloten door experimenten bij de LHC?", zegt Giordon Stark, postdoctoraal onderzoeker bij SCIPP, UC Santa Cruz. "Tot nu, er was geen gemakkelijke manier om dit te beantwoorden." De meeste LHC-zoekopdrachten richten zich op bepaalde benchmarkmodellen, het geven van een gedetailleerde analyse van de gegevens om een ​​uitspraak te doen over de vraag of het Standaardmodel al dan niet opgaat in de beschouwde processen en, als, welke modelparameters nog zijn toegestaan ​​en welke door de data worden uitgesloten. Maar, natuurlijk, elke zoekanalyse is gevoelig voor tal van nieuwe natuurkundige scenario's.

Gebruik makend van publiekelijk vrijgegeven waarschijnlijkheden, theoretici zullen nu in staat zijn om de oorspronkelijke hypothese die door ATLAS is bestudeerd, te wijzigen. Hoewel dergelijke resultaten mogelijk niet de nauwkeurigheid van het oorspronkelijke resultaat bereiken - gezien de ontbrekende stap van het simuleren van de vermeende processen in de ATLAS-detector - zullen ze theoretici een snelle beoordeling geven van het potentieel van hun nieuwe theorie.

De tools bieden voor open analyse

Maar waarom heb je waarschijnlijkheden nodig om ATLAS-gegevens te begrijpen? Zoals veel openbare wetenschappelijke datasets, gegevens van LHC-experimenten kunnen ondoordringbaar zijn zonder domeinspecifieke kennis. Voordat het zinvol kan worden, men moet rekening houden met een uitgebreide reeks detector- en softwareparameters, evenals complexe theoretische modellering.

"In plaats daarvan, de ATLAS-samenwerking heeft zich gericht op open databronnen, " zegt Matthew Feickert, postdoctoraal onderzoeksmedewerker aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. "Het is onze verantwoordelijkheid om de complexiteit tussen theoretici en de relevante ATLAS-informatie te minimaliseren. Er zijn veel waardevolle vragen die theoretici buiten het ATLAS-experiment ons kunnen helpen beantwoorden, en we moeten ze de beste tools geven om dat te doen."

Sinds de begindagen van de LHC, er is een sterke consensus tussen de experimentele en theoretische natuurkundegemeenschappen dat dit het beste kan worden gedaan door analysewaarschijnlijkheden publiekelijk vrij te geven. De formaten die intern door de experimenten zijn ontwikkeld om kansen te delen, zijn niet erg geschikt voor publicatie of gemakkelijk te gebruiken door de theoretische gemeenschap. "Onlangs, we hebben de software herschreven voor de kans om te profiteren van machine learning-frameworks, en realiseerde zich dat het ook de mogelijkheid bood om het publicatieprobleem aan te pakken", legt Heinrich uit. "We hebben er ook voor gezorgd dat we voor mens en machine leesbare formaten kozen met alomtegenwoordige, ondersteuning op lange termijn. Op die manier, zelfs als technologieën en software evolueren, de kansen zullen nog steeds bruikbaar zijn."

De toekomst van open fysica verzekeren

"We zijn van plan om de open publicatie van waarschijnlijkheden een vast onderdeel van ons publicatieproces te maken, en hebben ze al beschikbaar gesteld via een zoektocht naar de directe productie van tau-slapenparen, " zegt Laura Jeanty, ATLAS Supersymmetrie werkgroep voorzitter. "De komende maanden we streven ernaar feedback te verzamelen van theoretici buiten de samenwerking om het beste te begrijpen hoe ze deze nieuwe bron gebruiken om toekomstige releases verder te verfijnen."

De openbare vrijgave van volledige waarschijnlijkheden zal ook aanzienlijke voordelen met zich meebrengen voor experimentatoren. "Waarschijnlijkheden zijn een essentieel ingrediënt voor het combineren van analyses uit verschillende experimenten, " zegt Stark, die de statistische combinaties van ATLAS-supersymmetrieresultaten organiseert. "Naarmate hun open release steeds gebruikelijker wordt, Ik kijk uit naar grootschalige statistische combinaties."

parallel, de werkgroepen ATLAS Supersymmetrie en Exoten hebben ook een nieuwe benadering voor het bewaren van analyses ontwikkeld. "Dit zijn onderdelen van onze inspanningen om ATLAS-resultaten 'toekomstbestendig' te maken, " legt Federico Meloni uit, ATLAS Supersymmetrie werkgroep voorzitter. "Als theoretici nieuwe ideeën ontwikkelen, ATLAS-gegevens moeten mogelijk opnieuw worden onderzocht. Als zodanig, we archiveren nu de software en analysetools die in het resultaat zijn gebruikt voorafgaand aan de publicatie ervan. Dit zal toekomstige herinterpretaties van de gegevens vergemakkelijken, jaar later." Wanneer deze gearchiveerde analysepijplijnen worden gecombineerd met gepubliceerde waarschijnlijkheden, natuurkundigen zullen worden uitgerust met een transformatief vermogen:het vermogen om op een geautomatiseerde manier een nieuwe theorie te toetsen aan de gegevens.

Samen, deze ontwikkelingen markeren een nieuwe benadering van open en reproduceerbaar onderzoek bij de LHC. De ATLAS-samenwerking zal zich blijven richten op het creëren van rijke, bewaarbare open access-tools, zoals de open kansen, en kijkt uit naar de boeiende nieuwe inzichten die ze creëren.