En novembre 2014, dans un premier, mouvement inattendu pour le domaine de la physique des particules, l'expérience Compact Muon Solenoid (CMS), l'un des principaux détecteurs du plus grand accélérateur de particules au monde, le Grand collisionneur de hadrons - a rendu public une immense quantité de données, via un site Web appelé le portail des données ouvertes du CERN.

Les données, enregistrées et traitées tout au long de l'année 2010, s'élevait à environ 29 téraoctets d'informations, produit à partir de 300 millions de collisions individuelles de protons de haute énergie dans le détecteur CMS. Le partage de ces données marquait la première fois qu'une grande expérience de collisionneur de particules publiait une telle cache d'informations auprès du grand public.

Une nouvelle étude de Jesse Thaler, professeur agrégé de physique au MIT et défenseur de longue date du libre accès en physique des particules, et ses collègues démontrent maintenant la valeur scientifique de ce mouvement. Dans un article publié aujourd'hui dans Lettres d'examen physique , les chercheurs ont utilisé les données CMS pour révéler, pour la première fois, une caractéristique universelle dans les jets de particules subatomiques, qui sont produits lorsque des protons de haute énergie entrent en collision. Leur effort représente le premier indépendant, analyse publiée des données ouvertes du CMS.

« Dans notre domaine de la physique des particules, il n'y a pas la tradition de rendre les données publiques, " dit Thaler. " Obtenir des données publiques sans aucune autre restriction, c'est sans précédent. "

Une partie de la raison pour laquelle les groupes du Grand collisionneur de hadrons et d'autres accélérateurs de particules ont gardé la propriété exclusive de leurs données est la crainte que ces données puissent être mal interprétées par des personnes qui n'ont peut-être pas une compréhension complète des détecteurs physiques et de la façon dont leurs diverses propriétés complexes peuvent influencer les données produites.

"L'inquiétude était, si vous avez rendu les données publiques, alors vous auriez des gens réclamant des preuves de la nouvelle physique alors qu'en réalité ce n'était qu'un problème dans le fonctionnement du détecteur, " Thaler dit. " Je pense que l'on croyait que personne ne pouvait venir de l'extérieur et faire ces corrections correctement, et qu'un analyste malhonnête pourrait revendiquer l'existence de quelque chose qui n'était pas vraiment là."

"C'est une ressource que nous avons maintenant, ce qui est nouveau dans notre domaine, " Thaler ajoute. " Je pense qu'il y avait une réticence à essayer de creuser, parce que c'était dur. Mais notre travail ici montre que nous pouvons comprendre en général comment utiliser ces données ouvertes, qu'il a une valeur scientifique, et que cela peut être un tremplin vers une analyse future de possibilités plus exotiques."

Les co-auteurs de Thaler sont Andrew Larkoski du Reed College, Simone Marzani de l'Université d'État de New York à Buffalo, et Aashish Tripathee et Wei Xue du Centre de physique théorique et du Laboratoire de science nucléaire du MIT.

Voir les fractales dans les jets

Lorsque la collaboration CMS a rendu publique ses données en 2014, Thaler a cherché à appliquer de nouvelles idées théoriques pour analyser les informations. Son objectif était d'utiliser de nouvelles méthodes pour étudier les jets produits par la collision à haute énergie de protons.

Les protons sont essentiellement des accumulations de particules subatomiques encore plus petites appelées quarks et gluons, qui sont liés entre eux par des interactions connues dans le jargon de la physique sous le nom de force forte. Une caractéristique de la force forte connue des physiciens depuis les années 1970 décrit la façon dont les quarks et les gluons se divisent et se divisent à plusieurs reprises à la suite d'une collision à haute énergie.

Cette caractéristique peut être utilisée pour prédire l'énergie conférée à chaque particule lorsqu'elle se sépare d'un quark ou d'un gluon mère. En particulier, les physiciens peuvent utiliser une équation, connue sous le nom d'équation d'évolution ou de fonction de division, pour prédire la configuration des particules qui jaillissent d'une collision initiale, et donc la structure globale du jet produit.

"C'est ce processus de type fractal qui décrit comment les jets se forment, " dit Thaler. " Mais quand vous regardez un jet en réalité, c'est vraiment salissant. Comment allez-vous de ce désordre, jet chaotique que vous voyez à la règle de gouvernance fondamentale ou à l'équation qui a généré ce jet ? C'est une caractéristique universelle, et pourtant cela n'a jamais été vu directement dans le jet qui est mesuré."

Héritage du collisionneur

En 2014, le CMS a publié une forme prétraitée des données brutes 2010 du détecteur qui contenait une liste exhaustive de « candidats de flux de particules, " ou les types de particules subatomiques qui sont les plus susceptibles d'avoir été libérées, étant donné les énergies mesurées dans le détecteur après une collision.

L'année suivante, Thaler a publié un article théorique avec Larkoski et Marzani, proposer une stratégie pour mieux comprendre un jet compliqué d'une manière qui a révélé l'équation d'évolution fondamentale régissant sa structure.

"Cette idée n'existait pas avant, " Thaler dit. " Que vous pourriez distiller le désordre du jet dans un modèle, et ce modèle correspondrait parfaitement à cette équation - c'est ce que nous avons trouvé lorsque nous avons appliqué cette méthode aux données CMS."

Pour appliquer son idée théorique, Thaler a examiné 750, 000 jets individuels qui ont été produits à partir de collisions de protons dans les données ouvertes de CMS. Il a regardé pour voir si le motif des particules dans ces jets correspondait à ce que l'équation d'évolution prédit, étant donné les énergies libérées par leurs collisions respectives.

Prenant chaque collision une par une, son équipe a examiné le jet le plus important produit et a utilisé des algorithmes précédemment développés pour retracer et démêler les énergies émises lorsque les particules se clivaient encore et encore. Le premier travail d'analyse a été réalisé par Tripathee, dans le cadre de sa thèse de licence au MIT, et par Xue.

"Nous voulions voir comment ce jet provenait de pièces plus petites, " dit Thaler. " L'équation vous dit comment l'énergie est partagée lorsque les choses se séparent, et nous avons trouvé quand vous regardez un jet et mesurez la quantité d'énergie partagée quand ils se séparent, c'est la même chose."

L'équipe a pu révéler la fonction de fractionnement, ou équation d'évolution, en combinant les informations des 750, 000 jets qu'ils ont étudiés, montrant que l'équation - une caractéristique fondamentale de la force forte - peut en effet prédire la structure globale d'un jet et les énergies des particules produites par la collision de deux protons.

Bien que cela ne soit généralement pas une surprise pour la plupart des physiciens, l'étude représente la première fois que cette équation a été vue aussi clairement dans les données expérimentales.

"Personne ne doute de cette équation, mais nous avons pu l'exposer d'une manière nouvelle, " dit Thaler. " C'est une vérification claire que les choses se comportent comme vous vous en doutez. Et cela nous donne l'assurance que nous pouvons utiliser ce type de données ouvertes pour de futures analyses. »

Thaler espère que son analyse et celle d'autres sur les données ouvertes de CMS incitera d'autres grandes expériences de physique des particules à publier des informations similaires, en partie pour préserver leur héritage.

"Les collisionneurs sont de grandes entreprises, " Thaler dit. " Ce sont des ensembles de données uniques, et nous devons nous assurer qu'il existe un mécanisme pour archiver ces informations afin de potentiellement faire des découvertes en utilisant d'anciennes données, parce que notre compréhension théorique change avec le temps. L'accès public est un tremplin pour s'assurer que ces données sont disponibles pour une utilisation future. »