复读-谁发现了希格斯玻色子

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谁发现了希格斯玻色子

在获得诺贝尔奖的发现中,真正的天才并不是你想的那样。

对于那些认为在现代科学中没有天才的空间,因为一切都已经被发现的人来说,法比奥拉·吉亚诺蒂有一本尼尔·哈特曼的著作

T对于那些说现代科学中不存在天才的空间,因为一切都已被发现的人,法比奥拉·吉亚诺蒂给出了尖锐的回答。“不,完全不是,”ATLAS实验的前发言人说,该实验是欧洲核子研究中心大型强子对撞机上最大的粒子探测器。“直到2012年7月4日,我们还没有证据证明自然界允许基本标量场。所以天才的空间很大。”

她指的是两年前希格斯玻色子的发现——这可能是过去半个世纪物理学最重要的进展之一。它体现了贯穿整个空间的同名领域,并完善了物理的标准模型:一种对存在和行为的基本描述。

以任何标准衡量,这都是划时代的天才成就。

不太清楚的是,究竟谁是天才。一个明显的候选人是彼得·希格斯(Peter Higgs),他在1964年假设了作为Brout-Englert-Higgs机制的结果的希格斯玻色子。2013年,他和弗朗索瓦·恩格勒(Englert和他已故的同事罗伯特·布劳特(Robert Brout)分别获得了诺贝尔奖)。但这是否意味着希格斯是一个天才呢?Peter Jenni, ATLAS实验协作(欧洲核子研究中心发现希格斯粒子的两个实验之一)的创始人之一和第一位“发言人”,当我问他这个问题时,他有些犹豫。

“他们(希格斯,Brout和Englert)不认为他们(在研究)像(爱因斯坦的相对论)那样宏大的东西,”他谨慎地说。自发的对称性破断导致了希格斯玻色子”是一个具有挑战性的问题,但[爱因斯坦]看到了一些新的东西,并解决了整个领域。彼得·希格斯会告诉你,他为此花了几个星期的时间。”

早熟的个体物理学家提出新数据切割或过滤的能力受到限制。

那么,30多年来指导了数十亿美元投资和来自近40个国家的数千名物理学家、工程师和学生的实验工作的领导者们呢?当然,一定有一位天才策划者在指挥着这一大批工人,我们可以挑选出他或她的非凡贡献。

“不,”贾诺蒂毫不含糊地说,这对物理学家来说很罕见,“这是完全不同的。”我们制造的仪器是如此复杂,以至于发明和创造力在日常工作中显现出来。有大量的问题需要天才和创造力,这些问题需要时间和很多人来解决,而且都是在同一个水平上。”

科学突破似乎常常是由个人天才推动的,但这种看法是错误的日益合作的性质现代科学。也许没有什么比希格斯玻色子发现的故事更能体现这一一分为二的观点了。在这一发现中,少数人获得的名望与使这一发现成为可能的实验的制度化匿名之间形成了鲜明的对比。


一个对卓越个体概念的厌恶深深植根于ATLAS的合作中,这是它DNA的一部分。几乎所有合作方面的决定都是由具有代表性的团体核可的,例如研究所理事会、合作理事会以及众多委员会和工作队。共识才是关键。就连贾诺蒂从2009年到2013年担任的首席执行官,也被称为“发言人”。她代表合作,但没有命令合作。

集体性对阿特拉斯至关重要,部分原因是避免关注恒星的个性很重要,这样合作中的大多数物理学家都会觉得他们在某种程度上拥有这项研究。几乎有3000人有资格成为ATLAS出版的主要物理论文的作者,而作者列表的页数几乎与论文本身的页数相同。1

群体的天才:粒子物理合作可以产生数百名作者的学术论文。2010年的一篇论文长达40页,其中10页是作者名单,如图所示。1

在更实用的层面上,这种集体性也使得在解释数据时更容易防范偏见。“我们做的几乎每一件事都是为了减少分析中的潜在偏差,”发现希格斯粒子时的希格斯-伽玛分析小组成员、最近获得粒子物理学青年科学家奖的克斯汀·塔克曼(Kerstin Tackmann)说。和许多物理学家一样,塔克曼近乎害羞,说话也有很多限制。但在传达消除偏见的重要性时,她变得更加有力。

她解释说:“我们直到最后一步才使用真实的数据。”在定义了分析工具(本质上是算法和软件)之后,将它们应用于真实数据,这一过程被称为“解盲”。“一旦我们看到真实的数据,”塔克曼说,“我们就不能再改变分析了。”这样做可能会无意中产生偏差,因为这会诱使物理学家调整他们的分析工具,使其倾向于他们希望看到的结果,在最糟糕的情况下,实际上会产生不存在的结果。早熟的物理学家建议新的数据切割或过滤的能力受到这个过程的限制:他或她甚至要到游戏后期才会看到真实的数据,而且每一项分析都是由其他多位科学家独立审查的。

在合作中,大多数人直接“为”某个与他们的家庭学院没有任何关系的人工作,而他们的薪水实际上是由家庭学院支付的。

这一集体原则是ATLAS克服其产生的数据复杂性的一种方法,原始数据的数量足以填满从地球到月球再到月球的一堆DVD,每年10次。数据必须重建成近似于时间和空间上单个碰撞的图像,就像数码相机原始输出所需的处理一样。

但是,自从“扫描女孩”和气泡室底片的时代以来,从碰撞中识别粒子变得惊人地复杂,在那个时代,真人坐在放大的碰撞图像前,识别出线条和螺旋是不同的粒子。今天的实验人员需要有不同探测器子系统内部功能的专家知识:像素探测器,硅条跟踪器,跃迁辐射跟踪器,介子系统,和量热计,包括强子和电磁。对每个子系统的电子设备所做的调整,比如增益或阈值设置,可能会导致缺少或包含看起来像真实数据但实际上不是的数据。理解什么可能导致错误或缺失信号,以及如何解释它们,是这个过程中最具挑战性和创造性的部分。塔克曼说:“有些人真的很聪明,很擅长这个。”

这个过程也不是一成不变的。随着时间的推移,探测器的年龄和辐射损伤会发生变化。最终,完善探测器软件的过程是永无止境的,而人类的需求是巨大的:大约100名物理学家参与了对一个单一且相对简单的粒子特征的分析,即希格斯粒子衰变为两个伽马粒子。整个希格斯玻色子分析是由600多名物理学家组成的团队完成的。

这种努力的深度和广度将发现行为转变为匿名和分布式的——这种匿名性在ATLAS文化中已经制度化。年轻的物理学家加藤麻美(Marumi Kado)头发蓬乱,讲话安静得像禅宗,接近于低声细语。他是“综合分析”小组的召集者之一,该小组负责最终达到证实希格斯粒子发现所需的统计学意义水平。但是,对于ATLAS来说,他淡化了统计分析的重要性——这是最后一步——考虑到之前的复杂性。“最终的分析实际上相当简单,”他说。“大部分(成功)取决于你如何建造探测器,你如何校准它,以及它从一开始就设计得如何。这一切花了25年时间。”


T他认为ATLAS内部的深度协作工作模式意味着它在物理和工程领域的创新还不够——它还需要创新其管理风格和企业文化。洛桑国际管理发展学院(IMD)的战略执行和信息管理教授Donald Marchand将ATLAS描述为一种合作工作模式,它公然挑战标准的“瀑布式”(即自上而下的管理理论)。

Marchand在2000年代中期对ATLAS进行了一项案例研究,发现ATLAS管理层在几乎没有正式授权的情况下领导。2在合作中,大多数人直接“为”某个与他们的家庭学院没有任何关系的人工作,而他们的薪水实际上是由家庭学院支付的。例如,在建造阶段,ATLAS像素探测器(数据最密集的组件之一)的项目负责人在加州的一个美国实验室工作。他的直接下属,项目工程师,在意大利的一个研究所工作。即使他在生产过程中管理着一个关键的角色,项目负责人也没有权力去提升、约束,甚至正式审查项目工程师的表现。他唯一的办法就是讨论、谈判和妥协。ATLAS的成员更有可能觉得他们是在和别人一起工作,而不是为自己工作。

同样,资金来自不同国家的机构,通过“谅解备忘录”而非正式合同提供。合作的发言人和其他高层管理人员被要求遵循一种管理策略,关注合作,而不是指导合作。如果合作成员被疏远,这可能意味着他们正在投资的财务和人力资本的损失。各级管理者都需要找到非传统的方式来为下属提供反馈、激励和纪律。

一个著名的合作成员被许多人怀疑,他们认为他吸引了太多的注意力。

咖啡聊天是实现这一点的一种方式,并成为进行日常小谈判的主要方式,从而保持合作的进行。如今,欧洲核子研究所(CERN)周围都有咖啡馆,从早到晚座无虚席,人们都在开非正式会议。可以看到许多物理学家一次在自助餐厅扎营几个小时,在约会间隙用笔记本电脑工作。ATLAS管理层还创造了“一个安全港,一种组织内的文化,允许[员工]表达自己,解决冲突和争论,而不必尖刻,”Marchand说。

其结果是一个非常有效和灵活的管理结构。在衡量ATLAS管理者如何控制、传播和利用组织中的信息资本的基准量表中,ATLAS管理者始终名列前5%。3.Marchand还发现,ATLAS管理结构能够有效地适应不断变化的环境,在实验的核心生产阶段,当全世界的装配线上需要生产数千个相同的物体时,会暂时转向一种更为自上而下的模式。

这种合作文化不是偶然产生的;据马尔尚说,它从一开始就被植入了阿特拉斯。最初的创始人通过回避个人信用、面对面地讨论冲突以及在公开会议上讨论几乎所有问题,向每个加入的人灌输了合作道德。但这一伦理没有被编纂成法典;没有书面的行为准则。然而,与我交谈的每一个人都几乎虔诚地接受了这一点。

协作成员对将个人信用归因于任何事情持怀疑态度。每篇论文都包含了完整的作者名单,ATLAS的所有外联材料都签有“ATLAS合作”字样。人们对那些被认为在媒体上获得过多个人信任的人表示怀疑。合作的一位著名成员(以及前摇滚明星和非常成功的BBC系列节目主持人,地平线)许多人对他持怀疑态度,认为他通过与实验的联系吸引了太多的注意力。

思想的差距:60多个研究机构合作,在束流管(质子循环的真空管)和原始探测器之间9毫米的缝隙内建造并安装了新的探测器层。 ATLAS Experiment©2014 CERN


在阿特拉斯和欧洲核子研究中心的其他实验中寻找天才,除了合作本身,几乎不可能找到其他任何东西。比任何人,包括提出新物理学的理论家和实验项目的创始人,更能反映天才特征的是合作:想象力、毅力、开放性和成就感。

结果不言自明:ATLAS仅在其预期寿命的十分之一内就实现了第一个关键目标,并继续以高度协作的方式发展。今年5月,该探测器的首批升级之一安装完成。被称为插入b层(IBL),它是在2008年ATLAS初始试运行期结束时成立的一个任务小组的基础上发展起来的,该小组的明确目标是记录为什么将另一层探测器插入束管旁边的9毫米间隙空间是不可能的。

作为完美的机会主义者,工作组成员提出了一个设计,很快就变成了一个新的子项目。虽然它只比一个鞋盒大,但IBL的建设涉及到全世界60多个研究所,因为每个人都想参与这个令人兴奋的新事物。今年早些时候,当将可插入式B层子探测器滑入其位于阿特拉斯中心的家中时,其长度超过7米的间隙仅为一毫米的几分之一,任务在两小时内顺利完成。

新天才的新机会比比皆是。Gianotti以暗物质为例,她说:“宇宙中96%是暗的。我们不知道它是由什么组成的,也不与我们的仪器相互作用。我们没有任何线索。”。“所以天才有很大的空间。”但是,这些天才可能来自成千上万的人的共同努力,而不是来自那些头发蓬乱的科学家手中拿着一支粉笔或在实验室里进行修补。


尼尔·哈特曼(Neal Hartman)是劳伦斯伯克利实验室(Lawrence Berkeley Laboratory)的机械工程师,该实验室与欧洲核子研究中心(CERN)的ATLAS合作项目已经合作了近15年。他花了很多时间在物理和普通科学的推广和教育上,包括在CERN举办的cinemeglobe,一个以科学为灵感的电影节。


工具书类

1.法,G。et al。用大型强子对撞机上的ATLAS探测器测量的sqrt(s)=900 GeV时pp相互作用中的带电粒子多重数。物理字母B68821-42(2010)。

2.由Marchand,D.A.和Margery,P.进行的IMD案例研究。欧洲核子研究中心的ATLAS和LHC合作:探索大爆炸,IMD-3-2015(2009)。

3.马尚德,凯廷格,W. &罗林斯。信息导向:与业务绩效的联系牛津大学出版社(2001年)。

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