Aquí hay algunas preguntas, así que las abordaré una por una.
¿Cómo se calibran los detectores?
En primer lugar, ¿qué es un detector de partículas? Los detectores son instrumentos que miden alguna propiedad de una partícula, casi siempre forzando a la partícula a depositar energía en un material y luego convirtiendo esa energía en una señal eléctrica (como corriente o voltaje). Las calibraciones son esencialmente el mapeo entre estas señales eléctricas y la energía que realmente se depositó. Los calculamos identificando ciertos procesos donde conocemos la deposición esperada y podemos medir la señal de salida.
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En algunos materiales solo se deposita una pequeña cantidad de energía; Los instrumentos que utilizan estos materiales son útiles para medir la trayectoria y el momento de las partículas. Ahora, cuando una partícula viaja a través de un material cerca de la velocidad de la luz, resulta que hay una cantidad mínima de energía que puede depositar por ionización, dependiendo de las propiedades exactas del material [1]. Si observa las señales que salen de estos detectores, verá un pico en las pequeñas salidas que corresponde a esta “energía ionizante mínima”.
Otros materiales son lo suficientemente densos como para que toda la energía de una partícula se deposite en el material, y una vez calibrados tenemos una medición de la energía de la partícula incidente. Para calibrar estos detectores tenemos que encontrar “velas estándar”, procesos físicos que producen partículas de (casi) energías definidas [2]. Por ejemplo, cuando un bosón Z se descompone, puede producir un electrón y un positrón cuyas energías suman aproximadamente 90 GeV. La salida sumada de partículas similares a electrones muestra un pico característico a altas energías, que asociamos con 90 GeV [2].
Tenga en cuenta que estas son calibraciones “globales”. También hay calibraciones “relativas” que debe tener en cuenta cuando las calibraciones globales pueden cambiar. A veces, por ejemplo, tiene un conjunto de detectores cuyas salidas eléctricas pueden variar entre sí, y otras veces la respuesta del detector puede cambiar con el tiempo u otras condiciones experimentales. En general, estas calibraciones relativas son más fáciles de calcular con precisión.
[1] El Grupo de datos de partículas es tu amigo aquí, http://pdg.lbl.gov/2012/reviews/….
[2] A energías muy bajas, uno puede usar decaimiento de piones neutros, y a energías algo intermedias, puede usar el borde del pico W Jacobian. Si tiene mala suerte (como lo hice en mi experimento) ninguno de estos procesos físicos es viable y debe calibrarlo contra otros detectores.
¿Cómo se incorporan las incertidumbres de calibración en los análisis?
Para ser precisos, hay dos tipos de incertidumbre en un detector: estocástico y sistemático. La incertidumbre estocástica resulta de la variabilidad natural en el detector (si disparamos la misma partícula con la misma energía en el detector muchas veces, su señal de salida variará en cierta cantidad), mientras que las incertidumbres sistemáticas resultan de la incapacidad de calibrar el detector perfectamente.
Las incertidumbres estocásticas son generalmente fáciles de modelar y bien descritas por las distribuciones gaussianas, por lo tanto, fáciles de incorporar en un análisis. Además, debido a que son estocásticos, esencialmente podemos eliminar este tipo de incertidumbre promediando la medición de muchos, muchos eventos.
Las incertidumbres sistemáticas, por otro lado, son mucho más difíciles de modelar y, debido a que no son aleatorias, no se reducen cuando se agregan las mediciones. A menudo se supone que son gaussianos y se incorporan de manera ad hoc, lo que deja mucho que desear. Al final, los físicos han aprendido a compensar tomando más datos de los necesarios antes de hacer cualquier afirmación (ver, por ejemplo, ¿Por qué 5 sigma es el estándar de descubrimiento?).
Pero, ¿cómo podemos reclamar un resultado con una significancia de 0.001% cuando solo conocemos la calibración de energía a 1-2%? Principalmente porque la importancia a menudo solo depende débilmente de la energía [3]: un pico por encima de un fondo casi plano es significativo sin importar la ubicación exacta del pico.
[3] Técnicamente esta afirmación no tiene sentido ya que no puedes incorporar parámetros molestos en una prueba de hipótesis. Estoy feliz de discutir esto con los fanáticos de los métodos de probabilidad de perfil en otros lugares.
¿Qué papel juegan las calibraciones en el intercambio de datos?
Ssssssssh, no debes hacer esta pregunta.
Bromas aparte, es un problema grave. Las calibraciones son una parte crítica de cualquier análisis y, en un mundo ideal, deben estar abiertas a revisión por pares / público. Sin embargo, calcularlos requiere tanto conocimiento experto y una comprensión íntima de los detalles específicos de cada detector específico que un colaborador en el mismo experimento, y mucho menos un extraño externo, es poco probable que pueda duplicar cada calibración.
A menudo, este problema se evita publicando solo los datos calibrados (muy populares en astronomía) con el entendimiento de que las colaboraciones han verificado y validado completamente las calibraciones. Incluso entonces, sin embargo, no siempre es sencillo aplicar las incertidumbres de calibración y es posible que aún necesite conocimiento experto para obtener cualquier resultado nuevo sin introducir errores.
