I november 2014, i ett första, oväntat drag för partikelfysikens område, experimentet Compact Muon Solenoid (CMS) - en av huvuddetektorerna i världens största partikelaccelerator, Large Hadron Collider - släppt en enorm mängd data för allmänheten, genom en webbplats som heter CERN Open Data Portal.

Uppgifterna, registreras och bearbetas under hela 2010, uppgick till cirka 29 terabyte information, gav från 300 miljoner individuella kollisioner av högenergiprotoner inom CMS-detektorn. Delningen av dessa data markerade första gången något större experiment med partikelkolliderar släppte en sådan informationscache till allmänheten.

En ny studie av Jesse Thaler, en docent i fysik vid MIT och en mångårig förespråkare för öppen tillgång till partikelfysik, och hans kollegor visar nu det vetenskapliga värdet av detta drag. I en tidning som publicerades idag i Fysiska granskningsbrev , forskarna använde CMS-data för att avslöja, för första gången, en universell egenskap inom strålar av subatomära partiklar, som produceras när protoner med hög energi kolliderar. Deras ansträngning representerar det första oberoende, publicerad analys av CMS öppna data.

"Inom vårt område av partikelfysik, det finns inte traditionen att offentliggöra data, "säger Thaler." Att faktiskt få data offentligt utan andra begränsningar - det är utan motstycke. "

En del av anledningen till att grupper vid Large Hadron Collider och andra partikelacceleratorer har behållit sin dataskyddad ägo är oron för att sådana data kan misstolkas av människor som kanske inte har en fullständig förståelse för de fysiska detektorerna och hur deras olika komplexa egenskaper kan påverka den data som produceras.

"Oron var, om du gjorde uppgifterna offentliga, då skulle du få människor som hävdar bevis för ny fysik när det faktiskt bara var en glitch i hur detektorn fungerade, "Thaler säger." Jag tror att man trodde att ingen kunde komma utifrån och göra dessa korrigeringar ordentligt, och att någon oseriös analytiker kan hävda att det finns något som inte riktigt fanns där. "

"Detta är en resurs som vi nu har, som är nytt inom vårt område, ", tillägger Thaler. "Jag tror att det fanns en motvilja att försöka gräva i det, för det var jobbigt. Men vårt arbete här visar att vi i allmänhet kan förstå hur vi använder dessa öppna data, att det har vetenskapligt värde, och att detta kan vara en språngbräda till framtida analyser av mer exotiska möjligheter. "

Thalers medförfattare är Andrew Larkoski från Reed College, Simone Marzani från State University of New York i Buffalo, och Aashish Tripathee och Wei Xue från MIT:s centrum för teoretisk fysik och laboratorium för kärnvetenskap.

Ser fraktaler i jetplan

När CMS-samarbetet offentliggjorde sina data 2014, Thaler försökte tillämpa nya teoretiska idéer för att analysera informationen. Hans mål var att använda nya metoder för att studera jetstrålar som producerats från högenergikollisioner av protoner.

Protoner är i huvudsak ansamlingar av ännu mindre subatomära partiklar som kallas kvarkar och gluoner, som är bundna av interaktioner som i fysikspråket kallas den starka kraften. Ett särdrag hos den starka kraft som har varit känd för fysiker sedan 1970-talet beskriver hur kvarkar och gluoner upprepade gånger splittras och delar sig i efterdyningarna av en högenergikollision.

Denna funktion kan användas för att förutsäga energin som ges till varje partikel när den klyver från en moderkvark eller gluon. Särskilt, fysiker kan använda en ekvation, känd som en evolutionsekvation eller delningsfunktion, att förutsäga mönstret av partiklar som sprutas ut från en första kollision, och därför den generella strukturen för den producerade jet.

"Det är denna fraktalliknande process som beskriver hur jets bildas, "Säger Thaler." Men när du tittar på en jet i verkligheten, det är riktigt rörigt. Hur kommer du från det här röriga, kaotisk jet du ser till den grundläggande styrande regeln eller ekvationen som genererade den jet? Det är en universell funktion, och ändå har det aldrig setts direkt i den jet som mäts. "

Collider -arv

Under 2014, CMS släppte en förbehandlad form av detektorns rådata från 2010 som innehöll en uttömmande förteckning över "partikelflödeskandidater, "eller de typer av subatomära partiklar som mest sannolikt har släppts, med tanke på de energier som mäts i detektorn efter en kollision.

Det följande året, Thaler publicerade en teoretisk uppsats med Larkoski och Marzani, föreslå en strategi för att mer fullständigt förstå ett komplicerat jetflygplan på ett sätt som avslöjade den fundamentala utvecklingsekvationen som styr dess struktur.

"Denna idé hade inte funnits tidigare, "Säger Thaler." Att du kunde destillera strålens rörighet till ett mönster, och det mönstret skulle passa vackert på den ekvationen - det här är vad vi hittade när vi tillämpade denna metod på CMS -data. "

För att tillämpa sin teoretiska idé, Thaler undersökte 750, 000 enskilda jetplan som producerades från protonkollisioner inom CMS öppna data. Han tittade för att se om partikelmönstret i dessa strålar stämde överens med vad utvecklingsekvationen förutspådde, med tanke på de energier som frigörs från deras respektive kollisioner.

Tar varje kollision en efter en, hans team tittade på den mest framträdande jet som producerats och använde tidigare utvecklade algoritmer för att spåra tillbaka och lösa upp energierna som släpps ut när partiklar klyvs igen och igen. Det primära analysarbetet utfördes av Tripathee, som en del av hans MIT kandidatexamen, och av Xue.

"Vi ville se hur det här jetplanet kom från mindre delar, "Thaler säger." Ekvationen berättar för dig hur energi delas när saker splittras, och vi fann när du tittar på en jet och mäter hur mycket energi som delas när de delas, de är samma sak. "

Teamet kunde avslöja delningsfunktionen, eller evolution ekvation, genom att kombinera information från alla 750, 000 jetplan de studerade, visar att ekvationen - en grundläggande egenskap hos den starka kraften - verkligen kan förutsäga en stråls övergripande struktur och partiklarnas energier som bildas vid kollisionen mellan två protoner.

Även om detta kanske inte är en överraskning för de flesta fysiker, studien representerar första gången denna ekvation har setts så tydligt i experimentella data.

"Ingen tvivlar på denna ekvation, men vi kunde avslöja det på ett nytt sätt, "Säger Thaler." Detta är en ren verifiering av att saker och ting beter sig som du förväntar dig. Och det ger oss förtroende för att vi kan använda denna typ av öppen data för framtida analyser. "

Thaler hoppas att hans och andras analys av CMS öppna data kommer att få andra stora partikelfysiska experiment att släppa ut liknande information, delvis för att bevara sina arv.

"Colliders är stora ansträngningar, "Thaler säger." Det här är unika datamängder, och vi måste se till att det finns en mekanism för att arkivera den informationen för att potentiellt kunna göra upptäckter med hjälp av gammal data, eftersom vår teoretiska förståelse förändras med tiden. Allmänhetens tillgång är en språngbräda för att se till att denna data är tillgänglig för framtida användning."