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CERN开放数据门户结果确认亚原子粒子模式

时间:2018-05-15  点击: 17

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2014年11月,作为粒子物理领域的第一个意想不到的举措,紧凑型Muon电磁(CMS)实验 - 世界上最大的粒子加速器中的主要探测器之一 - 大型强子对撞机 - 向公众发布了巨大的通过一个名为CERN开放数据门户网站的数据量。

2010年全年记录和处理的数据总计约29 TB,由CMS探测器内3亿个高能质子碰撞产生。这些数据的共享标志着任何主要的粒子对撞机实验首次向公众发布了这样的信息缓存。

麻省理工学院物理副教授Jesse Thaler和长期倡导的粒子物理开放获取的新研究人员及其同事现在展示了这一举措的科学价值。在“物理评论快报”上发表的一篇论文中,研究人员使用CMS数据第一次揭示了亚原子粒子射流内的一个通用特征,这是在高能质子碰撞时产生的。他们的努力代表了对CMS开放数据的第一次独立发布的分析。

“在我们的粒子物理领域,没有公布数据的传统,”泰勒是麻省理工学院核科学实验室的研究员。 “实际上没有其他限制公开获取数据 - 这是史无前例的。”

大型强子对撞机和其他粒子加速器的小组保留专有权保留其数据的部分原因是担心这些数据可能被可能不完全理解物理探测器以及它们各种复杂属性可能如何的人误解影响生成的数据。

“担心的是,如果你公开公布数据,那么你会有人声称新物理学的证据,实际上这只是探测器运行的一个小故障,”Thaler说。 “我认为,人们相信没有人能够从外部进来,并且正确地进行纠正,而且一些流氓分析师可能会声称存在一些并非真正存在的东西。”

“这是我们现在拥有的资源,这在我们的领域是新的,”泰勒补充道。 “我认为不愿意尝试挖掘它,因为它很难。但是,我们在这里的工作表明,我们总体上可以理解如何使用这些开放数据,它具有科学价值,并且这可以成为今后分析更具异国情调可能性的垫脚石。“

Thaler的合着者是里德学院的Andrew Larkoski,纽约州立大学布法罗分校的Simone Marzani以及麻省理工学院理论物理中心和核科学实验室的Aashish Tripathee和Wei Xue。

看到喷气机中的分形

当CMS合作公司于2014年公开发布其数据时,泰勒试图应用新的理论思想来分析信息。他的目标是使用新方法来研究由质子高能碰撞产生的射流。

质子本质上是更小的亚原子粒子的聚集体,称为夸克和胶子,它们通过物理学上称为强力的相互作用而结合在一起。物理学家自70年代以来就已知的强大力量的一个特征描述了在高能碰撞后夸克和胶子反复分裂和分裂的方式。

这个特征可以用来预测每个粒子从母夸克或胶子中分裂时赋予的能量。特别是,物理学家可以使用一个称为演化方程或分裂函数的方程来预测从初始碰撞中喷出的粒子的模式,从而预测产生的射流的整体结构。

“正是这种类似分形的过程描述了喷射如何形成,”Thaler说。 “但是当你看着现实中的一架喷气式飞机时,这真的很麻烦。你如何从这个混乱的喷气式飞机上看到生成那架喷气式飞机的基本控制规则或方程式?这是一个普遍的特征,但它在测量过程中从来没有被直接看到过。“

对撞机的遗产

2014年,CMS发布了检测器2010年原始数据的预处理形式,其中包含“粒子流候选物”的详尽列表或最有可能已经释放的亚原子粒子的类型,其中给定了检测器之后测量的能量碰撞。

第二年,泰勒与Larkoski和Marzani一起发表了一份理论文章,提出了一种策略,以更全面地理解一架复杂的喷气式飞机,揭示其结构的基本发展方程。

“这个想法以前不存在,”Thaler说。 “你可以将喷气机的杂乱情况提炼成一种模式,并且该模式可以很好地匹配该方程 - 这是我们将这种方法应用于CMS数据时发现的。”

为了应用他的理论思想,Thaler检查了在CMS开放数据中质子碰撞产生的75万个单独喷气式飞机。考虑到各自碰撞释放的能量,他期待看看这些射流中的粒子模式是否与发展方程预测的模式相匹配。

每次碰撞一次,他的团队看着最突出的喷气式飞机,并使用先前开发的算法追溯和解开一次又一次切割颗粒所释放的能量。主要分析工作由Tripathee完成,作为他的MIT学士论文的一部分,由Xue完成。

“我们希望看到这架喷气式飞机如何来自小块,”泰勒说。 “这个方程式告诉你,当物体分裂时,能量是如何共享的,当我们看到一架喷气式飞机时,我们发现它们在分裂时共享多少能量,它们是同一件事。”

通过结合他们研究的所有750,000个喷气机的信息,该团队能够揭示分裂函数或演化方程,表明该方程 - 强力的基本特征 - 确实可以预测喷气的整体结构和由两个质子碰撞产生的粒子。

虽然这对大多数物理学家来说一般不会感到意外,但这项研究代表了这个方程式首次在实验数据中被清楚地看到。

“没有人怀疑这个公式,但我们能够以新的方式揭露它,”Thaler说。 “这是一个清楚的证明,事情按照你的期望行事。它让我们相信,我们可以使用这种开放数据进行未来分析。“

Thaler希望他和其他人对CMS开放数据的分析将促使其他大型粒子物理实验发布类似信息,部分原因是为了保留其遗留物。

“碰撞者是很大的努力,”Thaler说。 “这些是独特的数据集,我们需要确保有一种机制来存档这些信息,以便使用旧数据有可能使发现成为现实,因为我们的理论理解随着时间的推移而变化。公共访问是确保这些数据可供未来使用的敲门砖。“

这项研究部分得到了麻省理工学院Charles E. Reed学院倡议基金,麻省理工学院本科生研究机会计划,美国能源部和国家科学基金会的支持。

出版物:Andrew Larkoski等人,“用CMS开放数据公开QCD分裂函数”,Phys。 Rev. Lett。 119,132003; DOI:10.1103 / PhysRevLett.119.132003

SOURCE:麻省理工学院新闻社Jennifer Chu

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