Nel novembre del 2014, in un primo, mossa inaspettata per il campo della fisica delle particelle, l'esperimento Compact Muon Solenoid (CMS), uno dei principali rivelatori del più grande acceleratore di particelle del mondo, il Large Hadron Collider, ha rilasciato al pubblico un'immensa quantità di dati, attraverso un sito web chiamato CERN Open Data Portal.

I dati, registrati ed elaborati nel corso dell'anno 2010, ammontava a circa 29 terabyte di informazioni, prodotto da 300 milioni di collisioni individuali di protoni ad alta energia all'interno del rivelatore CMS. La condivisione di questi dati ha segnato la prima volta che un importante esperimento di collisione di particelle ha rilasciato una tale cache di informazioni al pubblico in generale.

Un nuovo studio di Jesse Thaler, professore associato di fisica al MIT e sostenitore di lunga data dell'accesso aperto nella fisica delle particelle, e i suoi colleghi ora dimostrano il valore scientifico di questa mossa. In un articolo pubblicato oggi in Lettere di revisione fisica , i ricercatori hanno utilizzato i dati CMS per rivelare, per la prima volta, una caratteristica universale all'interno di getti di particelle subatomiche, che vengono prodotti quando i protoni ad alta energia si scontrano. Il loro sforzo rappresenta il primo indipendente, analisi pubblicata dei dati aperti del CMS.

"Nel nostro campo della fisica delle particelle, non c'è la tradizione di rendere pubblici i dati, ", afferma Thaler. "In realtà, ottenere dati pubblicamente senza altre restrizioni, è una cosa senza precedenti".

Parte del motivo per cui i gruppi del Large Hadron Collider e di altri acceleratori di particelle hanno mantenuto il controllo proprietario sui loro dati è la preoccupazione che tali dati possano essere interpretati erroneamente da persone che potrebbero non avere una comprensione completa dei rivelatori fisici e di come le loro varie proprietà complesse possano influenzare i dati prodotti.

"La preoccupazione era se hai reso pubblici i dati, allora avresti persone che rivendicano prove per una nuova fisica quando in realtà si trattava solo di un problema tecnico nel funzionamento del rivelatore, " dice Thaler. "Penso che si credesse che nessuno potesse venire dall'esterno e fare quelle correzioni correttamente, e che qualche analista canaglia potrebbe affermare l'esistenza di qualcosa che in realtà non c'era".

"Questa è una risorsa che ora abbiamo, che è nuovo nel nostro campo, " aggiunge Thaler. "Penso che ci fosse una riluttanza a provare a scavare in esso, perché era difficile. Ma il nostro lavoro qui mostra che possiamo capire in generale come utilizzare questi dati aperti, che ha valore scientifico, e che questo può essere un trampolino di lancio per l'analisi futura di possibilità più esotiche".

I coautori di Thaler sono Andrew Larkoski del Reed College, Simone Marzani della State University di New York a Buffalo, e Aashish Tripathee e Wei Xue del Center for Theoretical Physics and Laboratory for Nuclear Science del MIT.

Vedere i frattali nei getti

Quando la collaborazione CMS ha rilasciato pubblicamente i suoi dati nel 2014, Thaler ha cercato di applicare nuove idee teoriche per analizzare le informazioni. Il suo obiettivo era utilizzare nuovi metodi per studiare i getti prodotti dalla collisione di protoni ad alta energia.

I protoni sono essenzialmente accumuli di particelle subatomiche ancora più piccole chiamate quark e gluoni, che sono legati tra loro da interazioni note in gergo fisico come forza forte. Una caratteristica della forza forte nota ai fisici fin dagli anni '70 descrive il modo in cui quark e gluoni si dividono e si dividono ripetutamente a seguito di una collisione ad alta energia.

Questa caratteristica può essere utilizzata per prevedere l'energia impartita a ciascuna particella mentre si stacca da un quark o gluone madre. In particolare, i fisici possono usare un'equazione, nota come equazione di evoluzione o funzione di divisione, prevedere lo schema delle particelle che fuoriescono da una collisione iniziale, e quindi la struttura complessiva del getto prodotto.

"È questo processo simile a un frattale che descrive come si formano i getti, " dice Thaler. "Ma quando guardi un jet nella realtà, è davvero disordinato. Come si va da questo disordinato, getto caotico che stai vedendo alla regola fondamentale o equazione che ha generato quel getto? È una caratteristica universale, eppure non è mai stato visto direttamente nel getto misurato".

Eredità del collisore

Nel 2014, il CMS ha rilasciato una forma preelaborata dei dati grezzi del 2010 del rilevatore che conteneva un elenco esaustivo di "candidati al flusso di particelle, "o i tipi di particelle subatomiche che hanno maggiori probabilità di essere state rilasciate, date le energie misurate nel rivelatore dopo una collisione.

L'anno seguente, Thaler ha pubblicato un articolo teorico con Larkoski e Marzani, proponendo una strategia per comprendere più a fondo un getto complicato in modo da rivelare l'equazione di evoluzione fondamentale che ne governa la struttura.

"Questa idea non esisteva prima, " dice Thaler. "Che potresti distillare il disordine del jet in uno schema, e quel modello si adatterebbe magnificamente a quell'equazione:questo è ciò che abbiamo trovato quando abbiamo applicato questo metodo ai dati CMS".

Per applicare la sua idea teorica, Thaler ha esaminato 750, 000 getti individuali prodotti da collisioni di protoni all'interno dei dati aperti del CMS. Ha cercato di vedere se lo schema delle particelle in quei getti corrispondeva a quanto previsto dall'equazione dell'evoluzione, date le energie liberate dalle rispettive collisioni.

Prendendo ogni collisione una per una, il suo team ha esaminato il getto più importante prodotto e ha utilizzato algoritmi precedentemente sviluppati per risalire e districare le energie emesse quando le particelle si scindevano ancora e ancora. Il lavoro di analisi primario è stato svolto da Tripathee, come parte della sua tesi di laurea al MIT, e da Xue.

"Volevamo vedere come questo jet provenisse da pezzi più piccoli, " dice Thaler. "L'equazione ti dice come l'energia viene condivisa quando le cose si dividono, e abbiamo scoperto che quando guardi un jet e misuri quanta energia viene condivisa quando si dividono, sono la stessa cosa."

Il team è stato in grado di rivelare la funzione di scissione, o equazione di evoluzione, combinando le informazioni di tutti i 750, 000 jet che hanno studiato, mostrando che l'equazione, una caratteristica fondamentale della forza forte, può effettivamente prevedere la struttura complessiva di un getto e le energie delle particelle prodotte dalla collisione di due protoni.

Sebbene ciò possa non essere generalmente una sorpresa per la maggior parte dei fisici, lo studio rappresenta la prima volta che questa equazione è stata vista così chiaramente nei dati sperimentali.

"Nessuno mette in dubbio questa equazione, ma siamo stati in grado di esporlo in un modo nuovo, " dice Thaler. "Questa è una chiara verifica che le cose si comportano nel modo in cui ti aspetteresti. E ci dà la certezza di poter utilizzare questo tipo di dati aperti per analisi future".

Thaler spera che l'analisi sua e di altri dei dati aperti del CMS stimolerà altri esperimenti di fisica delle grandi particelle a rilasciare informazioni simili, in parte per preservare le loro eredità.

"I collider sono grandi sforzi, " dice Thaler. "Questi sono set di dati unici, e dobbiamo assicurarci che ci sia un meccanismo per archiviare tali informazioni in modo da poter potenzialmente fare scoperte su tutta la linea utilizzando vecchi dati, perché la nostra comprensione teorica cambia nel tempo. L'accesso pubblico è un trampolino di lancio per assicurarsi che questi dati siano disponibili per un uso futuro".