2 つのノーベル賞の話をしましょう。私が皆さんにお伝えしたい最初の賞は、1901 年に X 線の発見によりヴィルヘルム・レントゲンに授与されました。この発見の詳細はそれ自体が興味深いものですが、私たちにとって重要な点は、レントゲンが X 線をまったく探していなかったということです。代わりに、彼はさまざまな種類の真空管の動作を研究していました。バリウムを含む彼の機器の一部が予期せずきらめき、彼は何か異常が起こっているのではないかと疑いました.彼は 6 年以内にメダルを集めるためにストックホルムにいました。
私が皆さんにお伝えしたい 2 番目のノーベル賞は、2 つの重要な点で異なります。まず、まだ授与されておらず、今後も授与されない可能性があります。第二に、ある意味では反対であることが関係しています。 思わぬ発見の。関与した科学者たちは、自分たちが何を探しているかを知っていました。それは、2 つの陽子が衝突したときに生成される非常にまれな粒子です。実際、この粒子が発生するのは、約 100 億回の衝突に 1 回だけです。その結果、Röntgen のように予想外のデータ ソースを考慮に入れるどころか、生データの 99.995% を破棄しました。 2012 年 7 月 4 日のヒッグス粒子の発見について話しています。
ヒッグス粒子は、素粒子とその相互作用を説明する素粒子物理学のいわゆる標準モデルの最後の部分であり、数十年で最も重要な物理学の発見の 1 つを表しています。それはまた、ビッグサイエンスの勝利でもありました。 CERN (スイスのジュネーブ近郊にある欧州原子核研究機構) の大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) でのヒッグス実験では、数十ペタバイトのデータが生成され、素粒子物理学の歴史において前例のない計算能力が実証されました。これは、ビッグデータによって駆動される科学が重要な方法で私たちの観測範囲を拡張できるという明確な証拠でした.しかし、科学者が探しているものの大まかなアイデアを持って実験を開始することを要求することで、X 線だけでなく、陽電子、超伝導体、および分数量子ホール効果？答えは微妙なものです。
ヒッグス粒子を観測するには、膨大な量のデータを収集する必要があります。その理由は 3 つあります。まず、ヒッグス粒子は陽子同士の衝突によって生成されますが、衝突の大部分 (約 100 億分の 1 を除く) ではヒッグス粒子は生成されません。第 2 に、ヒッグス粒子が生成されると、その崩壊生成物は、衝突によって発生した似たような信号のスプレーに埋もれてしまい、気付かれない可能性があります。最後に、素粒子物理学のコミュニティは、発見を主張する前に「5 シグマ」レベルの確実性を要求します (つまり、観測された信号が統計的なまぐれである可能性は 0.005% 以下であることを意味します)。これは印象的な基準です。記録された米国大統領選挙の投票をその正確さの基準で保持した場合、選挙の結果を知ることは決してないか、無期限の再集計プロセスで立ち往生する可能性があります.
大まかな計算では、LHC の周りを 1 秒あたり 12,000 回循環する非常に高密度の衝突陽子束であっても、現実的なヒッグス粒子生成速度では、生成されるヒッグス粒子は 10 秒ごとに 1 つだけになることが示されています。大変そうに聞こえるかもしれませんが、ヒッグスを直接観測することはできません。生成されるとすぐに、ヒッグスはさまざまな「共通の」粒子ペアに崩壊します。これらには、ボトム クォークとその反クォーク、W ボソン、グルオン、タウス、Z ボソン、チャーム クォーク、および光子対が含まれます。これらの一般的な粒子は、検出器が実際に観察するものです (ただし、電子、ミューオン、光子に崩壊するものもあります)。問題は、これらの同じ崩壊生成物が、クォーク ジェット、W ボソン、Z ボソンの直接生成など、他の相互作用の長いリストによっても生成されることです。これらのタイプの「バックグラウンド信号」は、ヒッグス信号の強度の 10 倍以上です。
これにより、ヒッグス粒子はひねりを加えた黄色い干し草の山の中のことわざの針になります。針の代わりに、特定のフィールド (「ヒッグス フィールド」と呼びましょう) から切り取られた緑の草を探していると想像してください。このフィールドは、すべてのブレードがまったく同じ長さ (たとえば 2.5 インチ) になるようにきれいに手入れされています。また、干し草の山全体に散らばっている花、雑草、緑の草は、さまざまな畑から刈り取られたものであり、そのうちのいくつかは手入れされていないため (これらを「背景畑」と呼びましょう)、あらゆる可能な長さになります。干し草の山にヒッグス場の緑の草が含まれていること、つまりヒッグス場が存在したことをどのように証明できますか?
私たち物理学者が行うことは、干し草の山をすばやくふるいにかけ、雑草と黄色い干し草を捨てて、サイズごとに並べる緑の草の葉を残すことです。これにより、過剰な 2.5 インチのブレードを観察し、ヒッグス場が存在すると結論付けることができます。さて、レントゲンの話と彼の X 線の発見を思い出すと、雑草、干し草、花をすべて保存しようとする誘惑に駆られるかもしれません。結局のところ、それには他にどのような物理学が含まれている可能性があり、どのような偶然の発見につながる可能性があるかを誰が知っているでしょうか?
このすべてのデータを保持できない理由を理解するには、何がデータを生成するのかを考えてみましょう。 ATLAS 検出器は、これまでに製造された最大の科学機器の 1 つです。高さ 15 階建て、直径 8 階建てのシリンダーには、液体アルゴンと非常に大きな磁場が満たされており、ATLAS は 50 ナノ秒ごとに 100 メガピクセルの画像を生成します。そのデータをすべて保持することにした場合、毎秒約 40 テラバイトのデータを記録する必要があります。これを大局的に見ると、これは、実験期間中 (10 年以上) に、世界の総インターネット容量の 4 倍を継続的にディスクに記録するようなものです。
代わりに、干し草を燃やします。ヒッグス実験のデータのほとんど、実際にはほとんどすべてが、興味のないものとして破棄されています。これは、偶然の発見ができないということですか？必ずしも。私たちは、面白そうなものは何でも維持しようと懸命に努力しています。これをインテリジェントに行うために、すべての大粒子物理学実験では、与えられた画像が保持する価値があるかどうかをすばやく評価する「トリガー」システムを使用します。撮ったばかりのデジタル写真をちらりと見て、それがどのようになったかを確認するようなものです。トリガー システムは、これまで以上に洗練された一連の入れ子になったアルゴリズムで構成されており、それに応じて遅くなり、興味のない画像を徐々に取り除きます。
高度な検出器シミュレーションを使用して、これらのアルゴリズムの効率をテストし、興味深い画像が破棄されていないことを確認します。これは必ずしも容易ではありません。たとえば、次の 2 つの図を考えてみてください。
左の写真は、陽子と陽子の衝突で生成された 2 つのクォークです。これは非常に一般的で、特に興味深いものではありません。クォークは、2 つの黄色い塔で表される粒子の「ジェット」に変わります。右側の写真は、電子と陽電子 (電子の反粒子) への Z ボソン崩壊を示しています。これは、はるかにまれで、はるかに興味深いものです。これは、Z ボソンが 90 個の陽子と同じくらい重い (実際、ヒッグス ボソンの質量とあまり変わらない) ことを示唆しているため、予期しない物理学の兆候である可能性があります。しかしざっと調べてみると、2 つの写真は非常によく似ているように見えます。2 つの黄色の塔です。
優れたアルゴリズムは、右側の画像を興味深いものとして選択し、それを保持して、他の画像を破棄することができます。左の写真の塔は広がっているのに対し、右の写真の塔は鉛筆のように薄いことがわかります。または、左の写真にはジェットがあり、右の写真には電子が含まれています。これらの微妙な違いは、各データ セット内の崩壊軌跡のエネルギーと方向に基づいて元の崩壊前の粒子の質量を計算することで検出できます。
このような分析は、膨大なコンピューティング パワーで実行できます。約 10 億メガフロップスのパワーがフィルタリングだけに費やされます。そして、ヒッグスを発見するために、それは見事に機能しました。フィルタリングの後、世界中のコンピューティング センターに分散された約 100,000 のプロセッサからなる広大なコンピュータ ネットワークを実現しました。衝突ごとに、観測された崩壊粒子の合計質量から親粒子の質量を計算しました（他の量の中でも）。ほとんどの場合、崩壊粒子は実際には単一の親から発生したわけではないため、そうするのは間違っていました。これは、計算した質量が本質的にランダムであり、測定値にバックグラウンド分布が生じたことを意味します。ただし、時折、観測された崩壊粒子は、2 つの光子に崩壊するヒッグス粒子など、単一の親粒子に由来することがありました。十分なデータを蓄積することにより、質量を計算したすべての「間違った」ペアからの滑らかに下降する背景分布の上に座って、ヒッグス粒子の固有の質量に「隆起」が見られました。下図のように、そのバンプの質量は 125 GeV/c でした。
したがって、興味のないデータを除外することは困難ですが、機能します。しかし、さらに難しい問題があります。それは、「面白くない」とは正確には何を意味するのかを判断することです。確かに、大きなエネルギー蓄積は興味深いものです (図 2 の黄色い塔)。これは、希少粒子の存在を示しているからです。欠落しているエネルギーも興味深いものです (エネルギー保存は物理学の重要な原則であることを思い出してください)。これは、痕跡を残さずに検出器を逃れた粒子の存在を示唆しているためです。これらは幽霊のようなニュートリノである可能性もあれば、存在すると仮定されているがまだ観測されていない、さらに刺激的な超対称粒子である可能性もあります。また、崩壊生成物 (電子、光子、ミューオンなど) の証拠は、まだ発見されていない新しい希少粒子の結果である可能性があるため、興味深いと考えられています。
しかし、これらの「興味深い」出来事はすべて、特定の理解の枠組みの中で定義されています。レントゲンに 1901 年の彼の実験で考えられる興味深い結果をすべて書き留めるように頼んだら、X 線照射によるバリウム実験成分のシンチレーションはリストに含まれていなかったでしょう。同様に、LHC から破棄された数百万ペタバイトのデータには、私たちが無視しているまったく新しい物理学が含まれている可能性があります。奇妙すぎる、または一見普通のように見える場合、新しい予期しないパーティクルの崩壊がトリガーによってスローされる可能性があります。
あまりにも奇妙な領域では、陽子が衝突し、そのエネルギーの一部またはすべてが消失する、エネルギー保存違反の証拠のようなものがあるかもしれません。現在のトリガーシステムで観察してください。それは、探す署名がないからです。予想した衝突の数を注意深く監視した場合、予想したほどの数ではなかったことがわかりましたが、それらの失われた衝突の手がかりになるかもしれませんが、これを測定することは非常に困難であるか、不可能でさえあります.また、崩壊するまでの寿命が比較的長い新しいタイプの粒子を捉えるのは難しいでしょう。これは、検出器の真ん中で目に見える粒子に崩壊することを意味します。当社のトリガー システムは、検出器の中央に予期せず飛び出す粒子ではなく、検出器の中央に戻る粒子に焦点を当てるように設計されています。
あまりにも平凡な面で、干し草の山のアナロジーに戻りましょう。長さ 2.5 インチの黄色い干し草が余っているということには、何か意味があるとしましょう (何を教えてあげたいのですが、わかりません!)。干し草の山全体をふるいにかけるというほぼ不可能な作業を避けるために、黄色い干し草をすべて燃やしたことを思い出してください。したがって、誰かが 2.5 インチの黄色のストローが重要であると事前に教えてくれなければ、2.5 インチの黄色の干し草の刃を偶然発見することは不可能です。
多くの点で、一方ですべてを記録したいという欲求と、他方で実用的である必要性との間のこの緊張は、新しいものではありません.これは、実験ノートにデータを書き込む孤独な科学者から、スーパーコンピューターを使用する何千人もの国際チームまで、あらゆる実験の特徴です。しかし、この緊張は、LHC で実施されているようなビッグデータ実験によって、前例のないレベルにまで増幅されています。これらの実験で「理論なしで見る」こと、つまり真新しい科学をランダムに紹介することはより困難です。あなたの理論が非常に間違っていて、実験が空っぽになり、製図板に戻ることを余儀なくされたとしても、それは問題ないかもしれません。しかし、多くの理論がそうであるように、あなたの理論が少しでも間違っているとしたらどうでしょうか?私たちは街灯柱の下をのぞきます。そこに光があるからです。何か新しいものを発見するために目を開いたままにします。しかし、影の中に何が隠されているのでしょうか?
Michael Tuts は、1983 年からコロンビア大学で物理学の教授を務めています。彼は、基本的な力と粒子を研究する実験素粒子物理学者です。現在、彼は CERN の大型ハドロン衝突型加速器での ATLAS 実験の米国派遣団のオペレーション プログラム マネージャーであり、約 500 人の物理学者のサポートを監督しています。
