大型對撞機首次公開數據證實了亞原子粒子模式

在2014年11月在意想不到的粒子物理領域，緊湊型μ子電磁(CMS)的實驗的主要探測器在世界上最大的粒子加速器，大型強子Collider-released向公眾大量的數據,通過一個名為歐洲核子研究中心開放數據門戶的網站。這些數據在2010年全年被記錄和處理，總計約29tb的信息，由CMS探測器內的3億次高能質子碰撞產生。這些數據的共享標誌著任何主要的粒子對撞機實驗首次向公眾發布了這樣的信息緩存。

緊湊的Muon螺線管是大型強子對撞機的通用探測器。圖片：CERN

麻省理工學院(MIT)物理學副教授傑西·塞勒(Jesse Thaler)和他的同事們最近發表了一項新研究，他和他的同事們現在展示了這一舉措的科學價值。在今天發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上的一篇論文中，研究人員利用CMS數據首次揭示了在高能質子碰撞時產生的亞原子粒子噴射的普遍特徵。他們的努力代表了第一個獨立的、發表的對CMS開放數據的分析。

在我們的粒子物理學領域，沒有讓數據公開的傳統，塞勒說。實際上在沒有其他限制的情況下公開數據，這是前所未有的。部分原因組在大型強子對撞機和其他粒子加速器一直專有掌控他們的數據是擔心這樣的數據可能會被人誤解可能沒有一個完整的理解的物理探測器和各種複雜的屬性可能如何影響產生的數據。

令人擔心的是如果公開了數據，那麼你就會讓人們為新物理找到證據，實際上這只是探測器運行的一個小故障，Thaler說：我認為，人們相信沒有人能從外部做出正確的修正，而一些無賴分析師可以聲稱存在一些不存在的東西。

這是我們現在擁有的一種資源，這在我們的領域是新的，Thaler補充道：我認為人們不願意嘗試挖掘它，因為它很難。但我們在這裡的工作表明，我們可以大體理解如何使用這些開放數據，它具有科學價值，這可以成為未來分析更奇異可能性的墊腳石。

塞勒的合著者是里德學院的安德魯·拉科斯基，紐約州立大學布法羅分校的Simone Marzani，以及麻省理工學院理論物理和核科學實驗室的研究中心的阿希什·特里帕特和維雪。當CMS合作在2014年公開發布數據時，Thaler試圖應用新的理論思想來分析這些信息。他的目標是用新穎的方法研究由質子高能碰撞產生的射流。

質子實際上是被稱為夸克和膠子的更小的亞原子粒子的聚集，它們被物理術語稱為「強力」的相互作用結合在一起。自上世紀70年代以來，物理學家們所熟知的強大力量的一個特徵是，夸克和膠子在高能碰撞後反覆分裂和分裂的方式。

這個特性可以用來預測每一個粒子的能量，因為它可以從母夸克或膠子中分離出來。特別地，物理學家可以使用一個方程，稱為演化方程或分裂函數，來預測從初始碰撞中噴射出來的粒子的模式，從而得出噴射產生的整體結構。這是一個分形的過程，描述了飛機是如何形成的，」Thaler說。「但當你在現實中看到一架噴氣式飛機時，它真的很亂。」你如何從這個混亂的，混亂的飛機上看到你看到的基本的管理規則或方程式產生了那架噴氣式飛機?這是一個普遍的特徵，但它從未在被測量過的射流中直接看到過。

對撞機

2014年CMS發布了2010年探測器2010年原始數據的預處理形式，其中包含了「粒子流候選者」的詳盡清單，也就是最可能被釋放的亞原子粒子的類型，考慮到碰撞後探測器所測量的能量。第二年Thaler發表了一篇關於Larkoski和Marzani的理論論文，提出了一種更全面地理解一種複雜的噴氣式飛機的策略，揭示了其結構的基本演化方程。

這個想法以前並不存在，塞勒說可以把飛機的混亂變成一種模式，而這種模式在這種情況下會很完美——這就是我們在CMS數據中應用這種方法時所發現的。

為了應用他的理論觀點，Thaler研究了在CMS開放數據中由質子碰撞產生的75萬架私人飛機。他研究了這些噴射流中粒子的模式是否與進化方程所預測的結果相匹配，考慮到它們各自的碰撞釋放出的能量。

他的團隊一個接一個地進行了一次碰撞，研究了最著名的噴氣式飛機，並使用了之前開發的演算法來追蹤和解開粒子在一次又一次的分裂過程中釋放出來的能量。主要的分析工作是由tripaa進行的，作為他的麻省理工學士論文的一部分以及薛鋒。

我們想看看這架飛機是如何從更小的碎片中來的，當物體分裂時，能量是如何被分享的，我們發現當你看一架噴氣式飛機，測量當它們分開時，有多少能量是共享的，它們是一樣的東西。

團隊能夠揭示了分裂功能或演化方程,結合信息從750000飛機他們研究顯示強勁的力量能夠確實的方程a基本特徵預測噴氣機的總體結構和能量的粒子碰撞產生的兩個質子。

雖然這對大多數物理學家來說並不令人驚訝，但這項研究是首次在實驗數據中清楚地看到這個等式。「沒有人懷疑這個等式，但我們能夠以一種新的方式揭露它，這是一個乾淨的驗證，事情按照你的預期行事。它給了我們信心，我們可以用這種開放的數據進行未來的分析。

Thaler希望他和其他人對CMS開放數據的分析能夠激發其他大型粒子物理實驗來釋放類似的信息，這在一定程度上是為了保護他們的遺產。對撞機是很大的努力，這些都是獨特的數據集，我們需要確保有一種機制來將這些信息存檔，以便有可能利用舊數據將這些信息記錄下來，因為我們的理論理解會隨著時間而改變。」公共訪問是確保這些數據用於未來使用的墊腳石。

參考期刊：：物理評論快報

來自：麻省理工學院

編譯：中子星

審校：博科園

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