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Cómo no dejarse engañar por la física.

noviembre 6, 2018

Los físicos de partículas y los astrofísicos emplean una variedad de herramientas para evitar resultados erróneos.

Una ilustración que muestra a los científicos que buscan un descubrimiento.

En la década de 1990, un experimento realizado en Los Álamos, a unas 35 millas al noroeste de la capital de Nuevo México, pareció encontrar algo extraño.

Los científicos diseñaron el experimento del Detector de neutrinos con centelleo líquido en el Laboratorio Nacional de Los Álamos del Departamento de Energía de los Estados Unidos para contar los neutrinos, partículas fantasmales que vienen en tres tipos y que rara vez interactúan con otra materia. LSND estaba buscando evidencia de oscilación de neutrinos, o neutrinos cambiando de un tipo a otro.

Varios experimentos previos habían visto indicaciones de tales oscilaciones, que muestran que los neutrinos tienen pequeñas masas no incorporadas en el Modelo Estándar, la teoría dominante de la física de partículas. Los científicos de LSND querían verificar dos veces estas mediciones anteriores.

Al estudiar una fuente casi pura de un tipo de neutrinos, los neutrinos muones, LSND encontró evidencia de oscilación a un tipo diferente de neutrinos, los neutrinos electrónicos. Sin embargo, encontraron en su detector muchos más neutrinos de electrones de lo previsto, creando un nuevo enigma.

Este exceso podría haber sido una señal de que los neutrinos oscilan entre no tres sino cuatro diferentes tipos, lo que sugiere la existencia de un posible nuevo tipo de neutrino, llamado neutrino estéril, que los teóricos han sugerido como una posible forma de incorporar pequeñas masas de neutrino en el Modelo Estándar.

O podría haber otra explicación. La pregunta es: ¿qué? ¿Y cómo pueden los científicos protegerse contra ser engañados en la física?

Cosa nueva

Muchos físicos están buscando resultados que vayan más allá del Modelo Estándar. Ellos vienen con experimentos para probar sus predicciones; si lo que encuentran no coincide, potencialmente han descubierto algo nuevo.

“¿Vemos lo que esperábamos de los cálculos si todo lo que tenemos es el Modelo Estándar?”, Dice Paris Sphicas, un investigador del CERN. “Si la respuesta es sí, entonces significa que no tenemos nada nuevo. Si la respuesta es no, entonces tiene la siguiente pregunta, que es: “¿Está esto dentro de las incertidumbres de nuestras estimaciones? ¿Podría esto ser el resultado de un error en nuestras estimaciones? “Y así sucesivamente”.

Una larga lista de posibles factores puede engañar a los científicos para que crean que han hecho un descubrimiento. Una gran parte de la investigación científica es identificarlos y encontrar formas de probar lo que realmente está sucediendo.

“El estándar de la comunidad para el descubrimiento es una barra alta, y debería serlo”, dice la física de neutrinos de la Universidad de Yale Bonnie Fleming. “Se necesita tiempo para realmente convencernos de que realmente hemos encontrado algo”.

En el caso de la anomalía LSND, los científicos se preguntan si los eventos de fondo no contabilizados inclinaron la balanza o si algún tipo de problema mecánico causó un error en la medición.

Los científicos han diseñado experimentos de seguimiento para ver si pueden reproducir el resultado. Un experimento llamado MiniBooNE, organizado por el Laboratorio de Acelerador Nacional de Fermi, informó recientemente que había visto signos de un exceso similar. Otros experimentos, como el experimento MINOS, también en Fermilab, no lo han visto, lo que complica la búsqueda.

“[LSND and MiniBooNE] están midiendo claramente un exceso de eventos sobre lo que esperan ”, dice la co-portavoz de MINOS, Jenny Thomas, física del University College London. “¿Son esos importantes eventos de señal, o son antecedentes que no se han estimado correctamente? Eso es lo que están enfrentando “.

Manejando las expectativas

Gran parte del trabajo para comprender una señal implica trabajo preparatorio antes de que uno sea visto.

Al diseñar un experimento, los investigadores deben comprender qué procesos físicos pueden producir o imitar la señal que se busca, eventos que a menudo se denominan “antecedentes”.

Los físicos pueden predecir fondos a través de simulaciones de experimentos. Algunos tipos de fondos de detectores pueden identificarse mediante “pruebas nulas”, como apuntar un telescopio a una pared en blanco. Otros fondos pueden identificarse a través de las pruebas con los datos en sí, como las llamadas “pruebas de cuchillo de cuchillo”, que implican dividir los datos en subconjuntos (por ejemplo, datos del lunes y datos del martes) que, por diseño, deben producir los mismos resultados. Cualquier inconsistencia advertiría a los científicos sobre una señal que aparece en un solo subconjunto.

Los investigadores que observan una señal específica trabajan para desarrollar una comprensión profunda de lo que otros procesos físicos podrían producir la misma firma en su detector. MiniBooNE, por ejemplo, estudia un haz hecho principalmente de neutrinos muones para medir la frecuencia con la que esos neutrinos oscilan a otros sabores. Pero ocasionalmente recogerá neutrinos electrónicos extraviados, que parecen neutrinos muón que se han transformado. Más allá de eso, otros procesos físicos pueden imitar la señal de un evento de neutrino electrónico.

“Sabemos que vamos a ser falsificados por ellos, así que tenemos que hacer el mejor trabajo para estimar cuántos de ellos hay”, dice Fleming. “Cualquier exceso que encontremos tiene que ser además de esos”.

Incluso más variable que un haz de partículas: los seres humanos. Mientras que la ciencia se esfuerza por ser una medida objetiva de los hechos, el proceso en sí lo lleva a cabo una colección de personas cuyas acciones pueden verse influidas por sesgos, historias personales y emociones. Una noción preconcebida de que un experimento producirá (o no producirá) cierto resultado, por ejemplo, podría influir en el trabajo de un investigador de manera sutil.

“Creo que hay un estereotipo de que los científicos son de alguna manera desapasionados, fríos y calculadores observadores de la realidad”, dice Brian Keating, astrofísico de la Universidad de California en San Diego y autor del libro. Perdiendo el Premio Nobel, que narra cómo el deseo de hacer un descubrimiento premiado puede alejar a un científico de las mejores prácticas. “En realidad, la verdad es que realmente participamos en ella, y hay elementos sociológicos en acción que influyen en un ser humano. Los científicos, a pesar de los estereotipos, son en gran medida seres humanos “.

Mantenerse al tanto de este hecho e incorporar métodos para eliminar el sesgo son especialmente importantes si una afirmación en particular pone de manifiesto un conocimiento de larga data, como, por ejemplo, nuestra comprensión de los neutrinos. En estos casos, los científicos saben que deben adherirse al dicho: las afirmaciones extraordinarias requieren pruebas extraordinarias.

“Si está caminando fuera de su casa y ve un automóvil, probablemente piense: 'Eso es un automóvil'”, dice Jonah Kanner, científico investigador de Caltech. “Pero si ves un dragón, puedes pensar, '¿Es realmente un dragón? ¿Estoy seguro de que es un dragón? “Querrías un mayor nivel de evidencia”.

¿Dragón o descubrimiento?

Los físicos han sido quemados por dragones antes. En 1969, por ejemplo, un científico llamado Joe Weber anunció que había detectado ondas gravitacionales: ondulaciones en la estructura del espacio-tiempo predichas por Albert Einstein en 1916. Tal detección, que muchos habían pensado que era imposible de hacer, hubiera tenido demostró ser un principio clave de la relatividad. Weber saltó a la fama momentánea, hasta que otros físicos descubrieron que no podían replicar sus resultados.

El descubrimiento falso sacudió la comunidad de la onda gravitacional, que, a lo largo de las décadas, se volvió cada vez más cautelosa al hacer tales anuncios.

Así que en 2009, cuando el Observatorio de Ondas Gravitacionales de Interferómetro Láser, o LIGO, entró en línea para su próxima carrera científica, la colaboración científica ofreció una manera de asegurar que los miembros de la colaboración se mantuvieran escépticos de sus resultados. Desarrollaron un método para agregar una señal falsa o simulada en el flujo de datos del detector sin alertar a la mayoría de los aproximadamente 800 investigadores del equipo. Lo llamaron una inyección ciega. El resto de los miembros sabían que una inyección era posible, pero no garantizada.

“Habíamos estado no “Detectando señales durante 30 años”, dice Kanner, miembro de la colaboración de LIGO. “¿Qué tan clara u obvia debería ser la firma para que todos la crean? … Nos obligó a impulsar nuestros algoritmos y nuestras estadísticas y nuestros procedimientos, pero también a probar la sociología y ver si podríamos obtener un grupo de personas”. a convenir en esto “.

A fines de 2010, el equipo recibió la alerta que habían estado esperando: las computadoras detectaron una señal. Durante seis meses, cientos de científicos analizaron los resultados y llegaron a la conclusión de que la señal parecía ondas gravitacionales. Escribieron un artículo que detallaba la evidencia, y más de 400 miembros del equipo votaron a favor de su aprobación. Entonces un miembro de alto rango les dijo que todo había sido falso.

Escoger y pasar tanto tiempo examinando una señal tan artificial puede parecer una pérdida de tiempo, pero la prueba funcionó como estaba previsto. El ejercicio obligó a los científicos a trabajar a través de todas las formas que necesitarían para analizar un resultado real antes de que se lograra uno. Forzó la colaboración para desarrollar nuevas pruebas y enfoques para demostrar la consistencia de una posible señal antes de un evento real.

“Fue diseñado para mantenernos honestos en cierto sentido”, dice Kanner. “Todos, hasta cierto punto, entran con alguna conjetura o expectativa sobre lo que va a salir de ese experimento. Parte de la idea de la inyección ciega era intentar inclinar las escalas en ese sesgo, donde nuestras creencias acerca de si pensamos que la naturaleza debería producir un evento serían menos importantes “.

Todo el trabajo arduo dio resultado: en septiembre de 2015, cuando una señal auténtica golpeó los detectores LIGO, los científicos sabían qué hacer. En 2016, la colaboración anunció la primera detección directa confirmada de ondas gravitacionales. Un año más tarde, el descubrimiento ganó el Premio Nobel.

No hay respuestas fáciles

Mientras que las inyecciones ciegas funcionaron para la comunidad de ondas gravitacionales, cada área de la física presenta sus propios desafíos únicos.

Los físicos de neutrinos tienen un tamaño de muestra extremadamente pequeño con el que trabajar, porque sus partículas interactúan muy raramente. Es por eso que experimentos como el experimento NOvA y el próximo experimento de Deep Underground Neutrino utilizan detectores tan enormes.

Los astrónomos tienen incluso menos muestras: solo tienen un universo para estudiar y no tienen forma de realizar experimentos controlados. Es por eso que llevan a cabo encuestas de décadas, para recopilar la mayor cantidad de datos posible.

Los investigadores que trabajan en el Gran Colisionador de Hadrones no tienen escasez de interacciones para estudiar: se estiman unos 600 millones de eventos cada segundo. Pero debido al enorme tamaño, costo y complejidad de la tecnología, los científicos han construido solo un LHC. Es por eso que dentro del colisionador se encuentran varios detectores diferentes, que pueden verificar el trabajo del otro midiendo las mismas cosas de varias maneras con detectores de diferentes diseños.

Si bien existen muchos principios centrales para verificar un resultado: conocer su experimento y su fondo, ejecutar simulaciones y verificar que están de acuerdo con sus datos, probar explicaciones alternativas de un resultado sospechoso, no hay una lista de verificación exhaustiva que realicen todos los físicos. Las estrategias varían de un experimento a otro, entre campos y en el tiempo.

Los científicos deben hacer todo lo posible para probar un resultado, porque al final, tendrá que hacer frente al escrutinio de sus compañeros. Sus colegas físicos cuestionarán el nuevo resultado, lo someterán a sus propios análisis, probarán interpretaciones alternativas y, en última instancia, intentarán repetir la medición de una manera diferente. Especialmente si están tratando con dragones.

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