Глава 164 Полное потрясение
Время шло незаметно.
Вскоре новость о предстоящем докладе Сяо И разнеслась по всему Институту высоких энергий. Это распоряжение директора Тан Ифана, и информация распространялась быстро.
Внутри Института высоких энергий сразу же разгорелись споры.
— Сяо И вдруг будет читать лекцию в нашем институте?
— Сяо И приехал в наш институт?
— Сяо И… кто такой?
— В деревне ещё нет интернета.
— Это распоряжение Тан Сочжаня, и он требует, чтобы все исследователи и заместители исследователей института временно приостановили работу и приняли участие. Остальным рекомендуется принять участие.
— Э? Почему? Этот доклад его так важен, что нам всем нужно туда пойти?
— Кто знает? Он же занимается математикой, а не высокими энергетиками. Что он там нашёл в нашей области?
— Эм-эм, все же у нас с математической физикой общие корни. Может быть, он действительно что-то важное нашел?
— Хотя интересно, о чём вообще его доклад?
— Похоже, называется… э-э, странно как-то, “Анализ экспериментальных ошибок и обработка данных.
— Что это такое? Анализ ошибок… и обработка данных? То есть, это как-то связано с математикой?
— Эм… Похоже, действительно.
— Ааа!!! Почему же это — математика?!
Внезапно многие из них вытянули гримасы отчаяния.
Хотя анализ экспериментальных ошибок и обработка данных были для них очень важными вещами, точность многих результатов зависела от них.
Но для них изучение этого было просто мукой!
Однако ничего не поделаешь, начальник отдела дал распоряжение: всем, исследователям и старшим научным сотрудникам, нужно было участвовать. Что тут можно сделать?
Оставалось только ждать дня представления отчета.
…
Время все же пришло к порогу дня представления отчета.
В этот день у входа в Институт высоких технологий висели две вывески: одна на китайском, другая на английском.
На обеих вывесках было написано:
— Добро пожаловать профессору Джорджо Паризи из CERN и его команде в Институт высоких технологий для проведения обмена опытом и обучения!.
В десять утра автобус остановился у входа в институт. При открытии дверей из него вышли иностранцы.
На первом месте стоял пожилой профессор, который сразу показался итальянцем.
Это и есть Джорджо Паризи, гигант в области теоретической физики, кандидат на Нобелевскую премию по физике. Вместе с тем, он уже получил почти все другие престижные награды в области физики. Только за первую половину этого года он удостоился Вольфовской премии по физике, которая уступает только Нобелевской по значимости.
В соответствии с прошлым годом Вольфовская премия, как своего рода указатель к Нобелевской премии, вполне может стать в этом году лауреатом Нобелевской премии по физике.
Можно сказать, что пригласить его для общения и обучения в Институте высоких энергий — очень редкая и ценная возможность. Перед дверью машины Тан Ифан уже с руководством Института высоких энергий стоял здесь, ожидая. Увидев этого «большого начальника», они все сразу подошли к нему навстречу.
Профессор Паризи, добро пожаловать!
Тан Ифан подошёл и пожал руку Джорджо Паризи.
Джорджо Паризи кивнул:
— Добрый день, профессор Тан. Очень рад приехать в Институт высоких энергий Китая и пообщаться с вами.
Во время разговора они представили друг другу коллег, и в конце концов всех сотрудников CERN пригласили внутрь института.
Тан Ифан начал объяснять Джорджо Паризи дальнейшие планы встречи:
— Сегодня мы покажем вам наш физический институт и BEPC, а затем….
Прежде чем он успел закончить, Джорджо Паризи перебил его, сказав:
— Не нужно говорить много. В BEPC у вас слишком низкая энергия столкновений, чтобы проводить эксперименты с достаточной энергией.
— Меня больше интересует то, о чём ты говорил вчера, о докладе завтра.
Джорджо Паризи спросил:
— Этот математический гений Сяо И, его доклад завтра, может касаться очень важного открытия?
Тан Ифан опешил, подумав:
— Действительно, он все же больше всего интересуется этим.
Затем он улыбнулся и кивнул:
— Да, профессор Паризи, вам должно быть известно, что Сяо И — математический гений. Поэтому он предложил совершенно новый метод анализа и обработки ошибок в нашем эксперименте по столкновению частиц.
— Согласно его новому методу, после обработки определённого типа данных обнаружилось нечто, противоречащее текущим теоретическим представлениям.
Джорджо Паризи тут же удивился:
— Противоречащее текущим теоретическим данным? Вы уверены в этом?
Тан Ифан кивнул:
— Согласно расчётам Сяо И, именно так.
Джорджо Паризи задумался.
Если это правда, то это будет очень важным открытием.
Через несколько мгновений он спросил:
— Когда состоится брифинг?
Услышав его вопрос, Тан Ифан рассмеялся. Очевидно, собеседник заинтересовался.
Завтра в десять утра.
Хорошо! Тогда я с нетерпением жду завтрашней конференции, — сказал Паризи. — Но какие именно данные, по-твоему, несогласуются?
Простите, — сказал Тан Ифан с извиняющейся улыбкой. — Я пока не могу раскрыть все карты. Узнаете об этом завтра на конференции.
О? — Джорджо Паризи слегка нахмурился, а затем улыбнулся и сказал: — Хорошо.
Прибытие Джорджо Паризи и его команды сразу же оживило Институт высоких энергий, но для Сяо И это было неважно.
До начала доклада оставалось менее суток, и за это время Сяо И не только усовершенствовал метод анализа ошибок и обработки данных, но и обработал ещё больше экспериментальных данных с помощью оптимизированного метода.
Он обработал почти два тысячи данных.
И все эти данные свидетельствуют о том, что W-бозон действительно очень вероятно обладает сверхмассой. Разница в стандартном отклонении достигает как минимум пяти сигм, а для многих данных она превышает шесть или семь сигм, и даже больше.
Конечно, 2000 данных — это всё ещё мало, но этого достаточно, чтобы заставить физиков начать сомневаться в массе W-бозона в рамках Стандартной модели.
— Ждем доклад завтра.
Согласно расчётам, сделанным на бумаге, Сяо И слегка улыбнулся и убрал эти листы.
В это время его взгляд упал на несколько других листов бумаги, лежавших в углу стола.
Подняв эти черновики, он увидел множество физических формул, написанных на них, кажущихся ему запутанными.
[Лишь тихий шелест листьев...]
[Фамэнь Ануань Ама ]
Эти вещи связаны с уравнением Ян–Миллса.
Последние дни он всё ещё занимался вопросом разрыва массы.
Несмотря на то, что существование разрыва массы подтверждено многими экспериментами, математически его до сих пор не доказано.
Только математическое доказательство этого факта сможет помочь физикам глубже понять сильное взаимодействие и гарантировать внутреннюю согласованность и строгость неабелевских теорий. Это даст научному сообществу прочную теоретическую основу, которая позволит избежать внутренних противоречий и несогласованностей при стремлении к унификации различных взаимодействий на более высоком уровне.
В частности, теория великого объединения пытается объединить сильное и электрослабое взаимодействия в единую группу на высоких энергиях.
Следовательно, очевидно, что доказательство проблемы массы промежуточных частиц косвенно поможет в унификации трёх фундаментальных сил: сильного, электромагнитного и слабого взаимодействий.
— Эмм… Как же это доказать?
Глядя на эту проблему, мысли Сяо И ушли вглубь своей души.
Столкнувшись с таким математическим доказательством на физическом уровне, Сяо И, который всегда занимался чистой математикой, почувствовал некоторое неудобство.
Однако эта проблема не была слишком серьёзной, ведь всё ещё требовалось следовать различным методам математики.
Так и шло время, в голове Сяо И рождались новые идеи.
Но чтобы решить эту проблему, всё ещё не хватало чего-то.
Так и прошел день.
На следующий день в десять утра.
В большом зале института высоких энергий собрались почти все.
Все сотрудники института высоких энергий — исследователи и их заместители — уже были внутри, а также некоторые ассистенты-исследователи и стажера, заинтересовавшиеся темой. Конечно же, присутствовали и другие сотрудники: постдоки, магистранты и т.д., всего около 150 человек.
Кроме сотрудников Института высоких энергий, присутствовали сотрудники команды профессора Джорджо Паризи из CERN.
В это время профессор Джорджо Паризи и директор Тан Ифан сидели в первом ряду по центру, а рядом Шяо И беседовал с профессором Паризи, так как до официального начала доклада ещё не было времени.
Я слышал от профессора Тана, что результаты вашего исследования могут обнаружить отклонение от предсказаний Стандартной модели? —
Паризи улыбнулся и спросил:
Сяо И кивнул:
— Да, согласно моим расчетам…
Но прежде чем он успел закончить, Паризи протянул руку и остановил его:
— Хорошо, об этом поговорим позже, когда ты будешь давать свой доклад.
Он улыбнулся и кивнул в сторону стоящего рядом Тан Ифана:
— В конце концов, вчера профессор Тан попросил меня сегодня на докладе узнать у вас, поэтому нет необходимости торопиться.
— Профессор Тан, верно?
Тан Ифан рассмеялся:
- Раз профессор Паризи так думает, то мы естественно не можем его разочаровать. Сяо И, сейчас всё от тебя зависит
— Конечно, без проблем.
Сяо И улыбнулся и кивнул.
В это же время, когда выступление официально началось, он перестал пусто болтать и сразу направился на сцену.
В зале доклада быстро установилась тишина.
Вставая на подиум и глядя на всех собравшихся физиков, Сяо И сначала слегка склонился в приветствии, а затем улыбнулся и сказал:
— Здравствуйте, всем! Очень рад быть здесь, в Институте высоких энергий, и поделиться с вами результатами своей работы за последнее время.
— Во-первых, хочу поблагодарить директора Тана за то, что он специально организовал для меня эту презентацию. Также благодарю профессора Паризи за согласие присутствовать на моём докладе.
— Честно говоря, хотя я уже делал немало презентаций, физический доклад — это для меня первый опыт. Поэтому, если во время выступления что-то пойдет не так, прошу вас понять.
— Ну, без лишних слов, перейдем к сути дела.
Сяо И кликнул на мультимедийном устройстве, и на экране появился слайд с темой его доклада:
— Анализ экспериментальных ошибок и обработка данных.
— Для любого эксперимента, ограниченного техническими средствами, при измерении данных неизбежны различные ошибки, которые существенно влияют на наше суждение о результатах.
— Для высоких энергий физика это ещё более актуально, ведь мы наблюдаем столкновение частиц, скорость которых достигает 99,99…% скорости света, а происходящие события могут исчезнуть всего за несколько микросекунд. Поэтому получаемые данные становятся всё менее точными.
— В связи с этим нам приходится применять более совершенные методы анализа ошибок, чтобы определить, какая часть экспериментальных данных является ошибкой, а какая — реальной информацией. Затем мы используем методы обработки данных для сохранения достоверных данных.
Сяо И улыбнулся:
- Говорят, что связь между математикой и физикой очень тесная. С этой точки зрения можно это продемонстрировать
Все присутствовавшие рассмеялись.
— А эта моя презентация, — продолжил он, — это более точный анализ и методы обработки ошибок, которые помогут нам извлекать из данных ещё больше полезной информации.
— Далее я приведём пример на основе экспериментальных данных.
На слайде презентации тут же появились данные.
— Это группа сигнальных данных о модели распада лептонов через W-бозон.
— Мы все знаем, что W-бозон может распадаться на лептон и нейтрино, где лептоном может быть электрон, мюон или тау. Сяо И, говоря это, подошел к доске и написал: [W±→±+ν].
— Я выбрал эту группу данных, где W-бозон распадается на высокоэнергетичный электрон и нейтрино. Электрон был обнаружен с помощью электромагнитного калориметра в детекторе. Энергия электрона указана как 45.38 ГэВ.
— А нейтрино, так как их нельзя обнаружить напрямую, их существование проявляется через недостачу поперечного импульса, составлявшего 35,31 ГэВ.
— Хорошо, теперь мы проведём анализ ошибок с помощью традиционных методов.
— Сначала рассмотрим погрешность измерения энергии детектора, рассчитаем ошибку измерения импульса электрона и МЕТ…
— Затем мы рассчитаем это с помощью формулы распространения ошибок.
[σM = √((МσE/E)² + (МσMET/MET)²)]
— В конечном итоге мы рассчитали частные производные, подставили значения и получили массу 80,319 ± 0,044 ГэВ. Согласно расчетам Стандартной модели, масса W-бозона должна быть равна 80,379 ГэВ, а ошибка находится в пределах двух стандартных отклонений.
Сяо И повернул голову и посмотрел на собравшихся, сказав: “Ясно, что будь то наши рассчитанные 79,319 или стандартное отклонение в 0,044, разница всё же слишком велика. Конечно, это может быть связано с тем, что достоверность отдельных данных недостаточно высока.”
— Однако позвольте мне продолжить использовать эти данные и применить мой новый метод к их анализу.
— Прежде всего, нам нужно перекалибровать данные с датчиков. Для этого я использую метод максимального правдоподобия. Конечно, если использовать только этот метод, то все равно будет недостаточно. Поэтому мне придется ввести несколько новых методов.
Угол губ Сяо И слегка поднялся, и он повернулся, чтобы начать писать на доске.
А пока он демонстрировал несколько простых шагов, Тан Ифан и Паризи снизу прищурились.
Этот математический метод...
Кажется, немного отличается?
Сяо И внезапно предложил новый алгоритм, оптимизировавший максимальное правдоподобие.
Среди остальных также были те, кто частично или полностью уловил суть этого подхода, и все они выразили удивление.
— Таким образом, мы выполнили калибровку данных этого детектора и получили следующие результаты: электронный импульс 45,84 ГэВ, недостающий поперечный импульс 35,65 ГэВ.
Получив эти результаты, Сяо И не замедлил и сразу перешёл к следующему шагу:
— Следующим этапом будет анализ ошибок.
— Простое применение формулы распространения ошибок в данном случае не удовлетворит нашим требованиям.
— В то же время другие методы анализа систематических ошибок имеют свои ограничения при работе с комплексными данными и не могут в полной мере разделить и количественно оценить влияние различных факторов, приводящих к ошибкам.
— В этом случае нам необходимо сначала ввести матрицу ошибок.
Матрица ошибок.
Под сценой Тан Ифан, услышав, как Сяо И заговорил об этом, тут же вспомнил метод, о котором тот рассказывал ему десять дней назад. Надо сказать, матрица ошибок – действительно очень изящное решение.
А сидящий рядом с ним Паризи к этому времени уже не помнил, когда достал бумагу и ручку, но вместе со Сяо И стал считать.
Ясно, что его полностью увлекло то, о чём говорил Сяо И.
В это время, услышав о матрице ошибок, предложенной Сяо И, он поднял голову и внимательно стал слушать.
Так, время медленно шло, и наконец, Сяо И закончил рассказ о своей структуре анализа ошибок.
— В конце концов, мы суммируем все независимые составляющие ошибки и подставляем их в новую формулу распространения ошибок для расчета общей системной погрешности.
— Эта новая формула распространения ошибок позволяет нам более детально разделять нелинейные отношения и взаимодействия между различными источниками ошибок.
— Таким образом, в итоге получается более чистый набор данных.
— Теперь мы вводим исходные данные…
— Таким образом, мы получаем конечный результат: масса этого W-бозона равна 80,471 ± 0,027 ГэВ.
Увидев этот результат, Паризи немедленно прищурился.
Этот результат...
Если учесть диапазон в 5 стандартных отклонений, то получится [80.336, 80.606].
По сравнению со стандартной моделью, предсказывающей значение 80.379, этот нижний предел уже несколько опасен!
Это почти на четыре стандартных отклонения больше!
Он внезапно понял, почему Сяо И приводил пример с W-бозонами.
— Разве это...
— Конечно, этот результат все же довольно обычен.
— Ничего особенного не видно, разве что стоит отметить, что он приближается к четырем стандартным отклонениям от массы W-бозона, предсказанной Стандартной моделью.
— Но если бы мы применили этот метод обработки к 2000 группам данных, то что получилось бы в итоге?
Сяо И слегка улыбнулся и раскрыл ответ.
Вместе с перелистыванием страниц на экране наконец появился результат.
[80,438 ± 0,011 ГэВ]
В тот момент, когда Сяо И упомянул стандартное отклонение, зрители в зале тут же рассчитали нижний предел пяти стандартных отклонений для этого результата — 383!
— Черт!
— Да, блин!
Внезапно все слушатели вздрогнули и закричали.
Что это?
Значит, масса W-бозона выше предсказаний Стандартной модели?
Это же на целых пять стандартных отклонений выше!
Ну уж нет… Разве всего лишь на 4 МэВ больше?
Это всё же мало? Даже если нижний предел превышен всего на 4 МэВ, это уже достаточно! Можно даже написать статью в Physical Review Letters.
В зале зашептались, тишина сменилась шумом.
Открытие, превосходящее стандартную модель, не могло их не волновать.
Это означает новые открытия в области физики!
Но Сяо И не остановил их, потому что именно этого он и хотел.
В это время профессор Паризи из первого ряда внезапно спросил:
— У вас объем данных всего два тысячи?
— Да, и эти данные были получены в результате последнего столкновения в BEPC.
— Объем данных все же мал…, — задумался Паризи, а затем добавил:
— Я должен сказать, ваш доклад действительно произвел на меня большое впечатление.
— Не только проблема избыточного веса W-бозона, как мы все знаем, но и масса W-бозона, которая даётся механизмом Хиггса. Если масса W-бозона не совпадает с предсказаниями Стандартной модели, то очень вероятно, что механизм Хиггса либо имеет проблемы, либо является несовершенным.
— Но, как я уже говорил, объем данных все же мал.
— Если бы у вас получилось получить результаты с помощью большего объема данных, я думаю, это помогло бы подтвердить ваши выводы.
Услышав Паризи, Сяо И кивнул головой.
"А в это время Тан Ифан сказал:
— Профессор Паризи, вам здесь и поможет, данные с LHC, возможно, помогут получить более точный результат.
— Это….
Паризи задумался и затем сказал:
— Можно, конечно, но вы же знаете, что данные с LHC в первые годы не будут опубликованы. Сяо И должен представить CERN что-то убедительное.
Затем он повернулся к Сяо И и сказал:
— Если ты сможешь изложить содержание этого доклада в виде научной статьи и опубликовать её, я смогу убедить CERN предоставить эти данные.
Сяо И естественно кивнул:
— Хорошо, — улыбнулся Паризи - Тогда я буду ждать, когда ты закончишь статью.