Von neuen Teilchen, bunten Naturkräften und dem Paper mit der Grafik mit dem komischen Buckel

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Grafik mit komischen Buckel. Aus dem Paper mit der Grafik mit dem komischen Buckel. Die orangefarbene Ellipse zur Markierung des komischen Buckels ist von mir.

Eine Entdeckung, die vielleicht gar keine ist, ein Spiegel-Online-Artikel dazu, der etwas anderes erklärt, und Forumkommentare dazu, die trauriger Quatsch sind: die Protagonisten bei unserer monatlichen Analyse des buntesten Papers der Woche.

Akt 1: Das Paper mit der Grafik mit dem komischen Buckel

Mittwoch veröffentlichte das am amerikanischen Tevatron1 behauste CDF-Experiment ein Paper, in dem unerwartete Resultate einer Untersuchung von Teilchenmassen Erwähnung finden. Und alle waren sie hin und weg.
Zur Einordnung: Das Tevatron war lange Zeit der Sieger der Olympiade der größten Teilchenbeschleuniger der Welt. Vor zwei Jahren wurde es vom LHC in Genf auf Platz zwei des Podests gestoßen. Letztendlich funktioniert das Tevatron genauso wie der LHC: Protonen werden beschleunigt und prallen an Wechselwirkungspunkten gezielt aufeinander. Für kurze Zeit entstehen massive, instabile Teilchen, die munter zerfallen und dabei gewisse Signaturen in den Experimenten hinterlassen. Unterschied: Beim LHC kollidieren zwei Protonen, beim Tevatron Protonen mit Antiprotonen. Ändert für uns hier aber nichts.

Das CDF-Experiment am Fermilab. Bild von now picnic.

Das Paper mit der Grafik und dem poetischen Namen »Invariant Mass Distribution of Jet Pairs Produced in Association with a W boson in ppbar Collisions at sqrt(s) = 1.96 TeV« untersucht dabei eine gewisse Zerfallssignatur. Kurz die Zähne zusammenbeißen für ein paar Basics: In Proton-Antiproton-Kollisionen können Diboson-Ereignisse auftreten, wenn auch relativ selten. Die hier gemeinten Bosonen sind Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung — soetwas wie die dicken Brüder der Photonen. CDF interessierte sich für Bosonpaare der Form WW und WZ2, die in ein Jet-Paar und ein Lepton-Neutrino-Paar zerfallen. Um nicht zu weit auszuholen: Jets bestehen aus den allseits beliebten Quarks3, Leptonen sind Elektronen und Myonen4 und mit Neutrinos sind die zugehörigen David-Copperfield-esken Teilchen der Elektronen und Myonen gemeint.

Mit ein wenig Geduld, etwas Verstand und viel Computerrechnerei kann man sich die sogenannte invariante Masse der beiden Jets ansehen. Dabei rechnet man von gewissen Kriterien der Jets darauf zurück, wie wohl die Masse des erzeugenden Teilchens ausgesehen hat. In gewisser Weise wird diese nämlich an die Tochterquarks weitergegeben.
Wenn man alles richtig gemacht und währenddessen ausreichend Kaffee über seine Tastatur geschüttet hat, dann sollte die Massenverteilung bei der Masse eines Bosons peaken5.
Das haben die Jungs und Mädels von CDF auch prima hingekriegt. Bei 80 – 90 GeV hat die Verteilung ihren Höhepunkt — ganz wie erwartet.

Verteilung der invarianten Masse, wenn man die Simulationswerte von den gemessenen Werten abzieht (»Differenzplot«). So wird der seltsame Buckel etwas deutlicher, an dem die Herrschaften eine Gaußfunktion angepasst haben. Aus dem Paper.

Unerwartetes war allerdings auf der rechten Flanke der Verteilung zu sehen. Dort waren die im Detektor aufgezeichneten Werte etwas über dem, mit dem man aufgrund von Simulationen und bisherigen Messungen gerechnet hätte.
Simulationsdaten kommen in der Teilchenphysik aus Monte-Carlo-Generatoren, daher werden sie häufig mit »MC« abgekürzt. In solche Generatoren fließen in verschiedenen Lagen von komplexen Programmen6 die Kenntnisse der Physik der Teilchenbeschleuniger-Größenordnung, das vielbeschworene Standardmodell, ein. Über die letzten 60 Jahre wurden Theorien ausgedacht, verworfen, verifiziert, verfeinert, so dass man mittlerweile ein gutes Modell hat, mit dem man die Ereignisse der Hochenergiephysik beschreiben kann.
Und eben mit diesem Modell passen die Ergebnisse des Papers nicht ganz überein. Etwas zu viele Ereignisse mit einer invarianten Masse von 150 – 160 GeV werden gegenüber der Erwartung gemessen.
Es entsteht der mysteriöse Buckel des Grauens.

Akt 2: Interpretation des Papers mit der Grafik mit dem komischen Buckel

OMG!!1 Wir haben das Higgsino entdeckt und können endlich goldene Einhörner und das fliegende Spaghettimonster am Fließband erzeugen! Nein.
Bei solchen Features checkt der Analysator erst einmal, ob er auch alles richtig gemacht hat. Dann checkt er vermutlich noch mal. Und lässt schließlich andere checken. Stößt man an seine Ideengrenzen, woran der unverstandene Effekt liegen könnte, reicht man es erst in der Arbeitsgruppe und dann der Kollaboration herum. Hat auch hier keiner eine Idee, geht’s in die nächste Stufe: An die restlichen Teilchenphysiker. Und bei diesem Schritt sind wir gerade.
Die sind jetzt aufgefordert, die Ergebnisse zu überprüfen, zu replizieren (möglichst unabhängig natürlich — z.B. an einem anderen Experiment (DØ) oder einem anderen Teilchenbeschleuniger (LHC)) und zu diskutieren.

Schnell hörte man, es könne sich um ein unbekanntes Teilchen handeln. Oder gar eine neue Kraft, die sich in der Region manifestiert.
Möglich.
Aber bevor wir uns auf so drastisches Terrain begeben, müssen wir die Checkliste der »Wahrscheinlichsten Ursachen für fetzige neue Physik bei Beschleunigerexperimenten« erst ein mal von oben abarbeiten.

Und ganz oben auf dieser Checkliste steht die Statistik.
Experimente in der Teilchenphysik haben immer viel mit Statistik zu tun, denn, tada, das sind statistische Prozesse — also Prozesse, die mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ablaufen. Erst bei einer immer größer werdenden Anzahl von Ereignissen kann man immer sicherer werden, dass die entdeckten Effekte sich nicht auf zufällige Fluktuationen zurückführen lassen.
So ist das auch bei diesem Paper der Fall: Der gemessene Wert ist von seinem Simulations-Schwesterwert 3,2 Standardabweichungen entfernt7. Das ist eine Besonderheit, denn eine Abweichung dieser Art kommt nur mit etwa 0,2% Wahrscheinlichkeit zufällig vor, also nur etwa zwei Mal in 1000 Messungen. Aber gemessen wird sehr viel. Wirklich viel. Und daher kommen derartige Abweichungen ab und zu eben einfach vor.
Von einer Entdeckung spricht man in der Teilchenphysik daher meistens erst, wenn der Wert so etwas wie 5 Standardabweichungen entfernt ist. Da fehlt also noch etwas an Ereigniszahl. Lösungen wären: Mehr Ereignisse aufnehmen oder die Auswahl »schöner« Ereignisse effizienter machen.

Skaliert man die Differenzwerte der Massenverteilung mit höheren Jet-Energie-Skalen, geht der komische Buckel weg. Screenshots aus Fatis Grafik.

Neben der Statistik könnten Auswertungs- oder Simulationsfehler zur Diskrepanz führen. Den Prozess des Checks der Auswertung habe ich bereits oben erläutert. Trotzdem können sich natürlich immer Fehler einschleichen. Welchen Effekt bereits eine Änderung eines einzigen Korrekturwerts hat, zeigt eindrucksvoll diese animierte Grafik von Tommaso Tabarelli de Fatis. Hier wurde eine Korrekturgröße, die sogenannte Jet-Energie-Skala, verändert. Rechts erkennt man, dass bei höheren Werten der Buckel langsam verschwindet. Da die Jet-Energie-Skala bei einem lange laufenden Experiment wie CDF allerdings eine gut untersuchte Größe ist, stellt die Grafik eher ein Deutlichmachen der vielen Parameter, die in so eine Analyse eingehen, dar.
Vielleicht gibt es in der Region, in der die Erhöhung liegt, noch einen unvollständig verstandenen Aspekt bei der Modellierung in der Simulation? Möglich.

Erst wenn man diese und noch viele andere Dinge überprüft hat, kann man sich daran begeben, neue Theorien über frische Teilchen oder gar neue Kräfte auszudenken. Ob das dann auch direkt das Standardmodell in Frage stellt, ist auch noch ein ganz anderes Blatt — vielleicht findet man ja eine Möglichkeit, die neuen Erkenntnisse hineinzuweben.
Aber bis dahin wird es noch lang dauern. Lange Zeit für viel Spekulation.

Was nicht so lange dauerte:

Akt 3: Mediale Rezeption des Papers mit der Grafik mit dem komischen Buckel

Artikel der New York Times zum Thema.

Mag die »Neuentdeckung« aus wissenschaftlicher Sicht tatsächlich spannend sein, so ist das doch eigentlich für das Gros der Bevölkerung ehr lahmer Kram. Oder?
Anscheinend nicht. Die New York Times brachte einen Artikel, für den man tatsächlich ein paar Menschen fand, die sich enthusiastisch äußerten. Einer stellte sogar die »bedeutendste Entdeckung seit einem halben Jahrhundert« als Möglichkeit in Aussicht.
Auch auf Spiegel Online erhält der entsprechende Artikel über 7000 Facebook-Likes8. Und das, obwohl der Artikel nicht nur ein eher spezielleres Fachgebiet behandelt, sondern auch nur wenig über den Buckel, sondern viel mehr über das Higgs-Boson erzählt. Aber dem hat man schließlich auch vor ein paar Jahren »Gott« in den Namen gedichtet. Das zieht. Zurecht stellt man allerdings am Ende fest, dass das Higgs-Boson eine geringere Masse als 150 GeV hat, wenn es existiert9.

Ganz gut, für ein Paper, oder?
Es muss wirklich ein »slow news day« gewesen sein, obwohl natürlich jede positive Wissenschaftspresse nur zu begrüßen ist.

Akt 4: Trollkommentare zu einem Artikel über das Paper mit der Grafik mit dem komischen Buckel

Begibt man sich bei Spiegel Online in das Forum zum Artikel und liest, dann durchlebt man eine stark oszillierende Mischung aus Amusement und Traurigkeit. Zum Glück ändert sich dieser Zustand bei fortlaufender Lektüre: es scheinen nur die Kommentare der ersten Seite die Lach- und Weinmuskeln zu beanspruchen.

Ein Best-Worst-Of:

Interessant, daß diese “Naturenergie” wenige Wochen nach den apokalyptischen Ereignissen in Japan aufkommt. Zu einer Zeit, in der die Akzeptanz für Kernenergie weltweit schwindet und klar wird, daß auch Öl bald ausgetrunken sein wird.
Mögliches Szenario: Man kannte diese Kraft schon lange, hat es aber verschwiegen, um aus den bestehenden Energiequelle weiter Profit ziehen zu können. (Link)

Man sollte alle Experimente, die mit Kernkraft (egal ob schwach oder stark) zu tun haben, verbieten. Ich hoffe, dass bei einem Wahlsieg der Grünen solche Anlagen sofort vom Netz genommen werden! (Link)

Ich bin bereits im Jahr 1992 bei einem Photonenexperiment auf diese angeblich neue Kraft gestoßen und niemand wollte mir glauben. Jetzt kommen da so ein paar Möchtegern-Wissenschaftler daher und behaupten, sie hätten es entdeckt. Das ist doch einfach nur noch lächerlich! (Link)

Epilog: Meeehr!

Wer seine Meinung etwas mehr professionalisieren möchte als die Herrschaften da oben, dem seien folgende Links empfohlen:
→ io9 Backgrounder – »Has Fermilab really discovered an entirely new subatomic particle? And could this change the universe?« — Zusammenfassender Artikel.
→ Quantum Diaries Survivor – »Is That A New Massive Particle ? Is That Some Kind Of Higgs ?« — Erster Artikel des CMS-Wissenschaftlers und Teilchenphysik-Bloggers Tommaso Dorigo, der in ein paar Folgeteilen (1, 2) noch mehr dazu schreibt. Hervorragend!

→ Symmetry Breaking – »Fermilab’s data peak that causes excitement« — Eine Zusammenfassung der Sache dieses Teilchenphysik-Magazins des Fermilabs.
→ arXiv.org – »Invariant Mass Distribution of Jet Pairs Produced in Association with a W boson in ppbar Collisions at sqrt(s) = 1.96 TeV« — Das Originalpaper, um das sich alles dreht.

Nachtrag, 9. April 2011, 0:30: Florian hat in seinem Blog ebenfalls über das Paper geschrieben und den Akzent etwas mehr auf die unterschiedlichen Standardabweichungen gelegt. Ebenfalls interessant!

  1. Fermilab / Chicago. []
  2. Jap, schwache Bosonen gibt’s in sowaswiezwei grundlegenden Schuhgrößen: W- und Z-Bosonen. Dabei ist das W-Boson die geladene Version des Austauschteilchens und kommt sowohl in positiv (W+) als auch negativ (W-) vor. 80% aller W- sind traurig über ihre Ladung. Die Zs verhalten sich da neutral. []
  3. Kommen entgegen der Version in eurem Supermarkt nur in sechs Geschmacksrichtungen vor. Ich weiß — ärgerlich. Aber man kann sie mischen. Und das ist doch schon mal was. []
  4. Taus wurden nicht untersucht. []
  5. Neudeutsch für »eine Spitze haben«. []
  6. Gegen die selbst die Steuererklärung eine Wohltat von Übersichtlichkeit ist. []
  7. Standardabweichung? Das kennt ihr doch noch aus der Statistik. Die Größe einer Standardabweichung hängt mit der Anzahl der Ereignisse zusammen. []
  8. Seit 2020 die offizielle Maßeinheit zur Messung eines Einschlags einer Newsmeldung. Hat mir der Terminator neben mir erzählt. []
  9. Zumindest die Standard-Modell-Version des Higgs-Bosons. Es existieren Erweiterungen des Modells, bei denen es ganz wilde Higgse gibt. Gesundheit. []
Kurzlink
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11 Antworten auf Von neuen Teilchen, bunten Naturkräften und dem Paper mit der Grafik mit dem komischen Buckel

  1. Guenny sagt:
    #1

    Danke für den aufschlussreichen Artikel, ich warte seit dem aufkommen der “Quark” Meldungen auf einen Artikel bei euch. Die Pressemeldungen über Elementarteilchen oder Grundkräfte wollte ich mir dann doch nicht geben.
    Euer Artikel ist dagegen wie erwartet interessant zu lesen :)

    Gruß Guenny

  2. psim sagt:
    #2

    Ganz egal worum es in dem Artikel geht, das Lesen von Kommentaren auf Spiegel Online ist niemals eine gute Idee. Hab mich bestimmt schon 10 mal dazu hinreißen lassen, da reinzuschauen, und bin jedes Mal binnen einer Seite der Verzweiflung nahe gewesen. Da sind mir die herkömmlichen Trolle doch lieber ^^

  3. Ariakan sagt:
    #3

    “Ich bin bereits im Jahr 1992 bei einem Photonenexperiment auf diese angeblich neue Kraft gestoßen und niemand wollte mir glauben.” – epic :D

    Danke für den Artikel!

  4. Simon sagt:
    #4

    Super Artikel! Gestern hat mich echt jemand über diese “neue Kraft” gefragt und ich hatte keinen Plan worums geht^^
    Tja die Trolle sind wohl leider auch schon in dem Thema, dabei hätte ich gedacht, dass sie mit Fukushima noch eine Weile beschäftigt sind.

  5. Knox sagt:
    #5

    Dann heist es erst mal abwarten und Tee trinken…mal sehen was wirklich die Ursache für diesen “Buckel” ist.
    Ich hatte davon gelesen, aber noch nichts genaues und vernünftiges finden können. Alles immer nur sensationsgerede. Bis ich hier herkam.
    Mal sehen ob ich hier später erneut von der Sensation oder von der peinlichen Fehlmessung lesen werden…

  6. JanG sagt:
    #6

    mal wieder ganz groß was ich hier lese, super artbeit und ein ganz großes lob.

    btw: “Ich bin bereits im Jahr 1992 bei einem Photonenexperiment auf diese angeblich neue Kraft gestoßen und niemand wollte mir glauben.” – das ist doch wohl nur als witz gemeint, so kann doch keiner drauf sein???

  7. Thix sagt:
    #7

    @Knox

    Ich hatte davon gelesen, aber noch nichts genaues und vernünftiges finden können. Alles immer nur sensationsgerede. Bis ich hier herkam.
    Mal sehen ob ich hier später erneut von der Sensation oder von der peinlichen Fehlmessung lesen werden…

    Wieso peinlich? Hättest du den obigen Artikel wirklich GELESEN, hättest du kapiert, dass solche Abweichungen vom Standardmodell immer wieder mal gemessen werden. Daran ist nichts peinlich.

    Das einzig peinliche sind Leute wie du, welche die seriöse Arbeit der Physiker ins lächerliche ziehen, weil wieder mal eine von den Medien gemachte Sensation, den Physikern unterstellt wird. Ist dann nichts dran, wird der schwarze Peter den Physikern zugeschoben, keinesfalls den Medien.

    Selbst wenn sich herausstellt, dass es sich um eine Fehlmessung (was immer das sein soll) handelt.. was soll dann daran peinlich sein?

    Das einzig peinliche wären in diesem Fall bestimmte Medien die diesen Fall wieder mal unnötig aufgebauscht haben.

  8. Andi sagt:
    #8

    @Thix: Auch wenn du verärgert bist, bitte keine persönlichen Angriffe.

  9. Knox sagt:
    #9

    @Thix
    Entschuldige wenn ich dich verärgert habe, aber ich scheine mich nicht verständlich ausgedrückt zu haben.
    Mit dem Wort peinlich wollte ich eigentlich nur darauf anspielen wie entsprechende Sensationsmedien die Sache wieder herunter spielen.
    Zuerst wird die Sache von Sensationsmedien voreilig zu einer Sensation (neue Kraft) ohne gleichen hochgespielt. Häufig liest man im Nachhinein dann Schuldzuweisungen in den entsprechenden Medien. Ich bin ganz deiner Meinung, dass die Medien hier den schwarzen Peter tragen sollten, sie allerdings meist abschieben.
    Ich wollte nur sagen, dass ich gespannt bin ob hier entsprechende Schuldzuweisungen von den Medien entkräftet werden, oder ob es womöglich tatsächlich zu einer Sensation kommt.
    Ich hoffe ich habe das Misverständnis damit ausgeräumt. Ich hatte mich eindeutig nicht deutlich genug ausgedrückt.

  10. Thix sagt:
    #10

    @Knox

    Okey, dokey. Dann hab ich dich falsch verstanden. Sorry auch von meiner Seite und nichts für ungut.

  11. m sagt:
    #11

    Hi!

    nunja.. der Trollpost mit den Grünen und verbieten der Teilchenphysik ist trauriger als man denkt, denn es werden in diesem Zusammenhang immer wieder gerne die Mittel fürs CERN als Atomsubvention bezeichnet…. :(

    vlg
    m

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