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王孟源:为什么国际物理界没有太重视悟空的这次发现
关键字: 悟空暗物质暗物质粒子探测卫星所以悟空卫星实际上是一个专门测量宇宙线中的正子流和电子流的仪器。但是因为银河系到处都有磁场,电子和正子在被截获之前,已经转过许多弯了,所以不可能知道它们的发源方向。那么唯一能测量的,只是它们的能量。结果全世界几百个博士,花十年时间和百亿元,所得到的,也就是下面这张图:横轴是能量,纵轴是观测到的电子流密度。然而,宇宙中能产生电子和正子的机制太多了,根本不可能精确计算背景信号曲线,所以最后只能笼统地看看测量结果的曲线是否平滑。
DAMPE是悟空卫星计划的英文名字,AMS-02和Fermi都是美国较早发射的卫星。这次悟空卫星团队宣传的结果,就是在图中红线右端没有平滑过渡的一高一低两个点,分别对应着1.4TeV和1.2TeV的能量。但是有三个疑点:1)Fermi卫星(图中的蓝线)也涵盖了相关的能阶,却没有看到类似的现象;2)这个结果出现在电子流(纵轴)很低的尾端,刚好对应着较少的统计样本和较低的统计意义;3)这两个偏离平滑曲线的点,偏离的程度只有两个统计标准偏差左右,距离物理界传统上要求的五个标准偏差很远,连“有趣”都谈不上。
一般统计方法假设高斯分布(Gaussian Distribution),两个标准偏差对应着名义上(Nominally)4.5%的统计噪音机率(亦即有4.5%的机率这个结果是因统计样本不足而随机产生的噪音)。五个标准偏差则精确到0.00006%。为什么物理界会要求如此高的统计精确度呢?
这有很多原因,和我们眼前话题有关的有三个:1)实际的随机分布往往不遵循高斯分布,而有不能确定的胖尾巴(Fat Tail),使得统计噪音被低估。2)两个标准偏差对应到4.5%的噪音,是假设只有一个数据,像上图这条红线总共有38个数据点,那么随机出现两个标准偏差数据的机率就是(1-(1-4.5%)^38)=83%;换句话说,没有偏离的现象才算奇怪。这在物理界叫做“Look Elsewhere Effect”;也就是人类天性就会专注在“特别”的数据点上,而忘记有多少“普通”的数据点被尝试过了。所以要求五个标准偏差,即使有10000个“普通”的数据点被忘记,实际上统计噪音仍然只有(1-(1-0.00006%)^10000)=0.6%,还在可接受的精度内。3)这种简单的标准偏差估算,还有另一个隐性的假设,就是横轴的测量是绝对精确的,统计误差只存在于纵轴。可是电子流密度的测量,最大的误差其实是在能级上;换句话说,这张图的横轴误差实际上比纵轴误差还大,有少数几个1.2TeV的样本被测量成1.4TeV,就自然会有一个1.2TeV的低点和一个1.4TeV的高点。这是统计噪音又被低估的另一个原因。
正是因为悟空卫星结果的实际统计误差太大,缺乏统计意义,所以国际物理界不把它当回事。但是悟空卫星团队不止事后是拿一个没有实际统计意义的结果来过关,而且是原本设计就有问题。我这么说,是因为暗物质如果真的衰变,会产生同样数量的正子和电子;但是在1TeV左右的能级上,宇宙线中电子流的背景比正子流高20倍,所以AMS-02发表结果的时候,专注在正子流而不是电子流上,正是缘于前者的信噪比是后者的20倍。悟空卫星团队反其道而行,为了追求稍高一点的能级,牺牲了分辨正子和电子的能力,原本对WIMP的解析力就弱于早上三年的AMS-02,难怪这次只能拿出统计噪音来当结果。(本段根据读者意见稍作修订,在此深表歉意和感谢。)
实际上,WIMP和它所依据的超对称理论,从1986年的Ginsparg & Glashaw论文揭露真相开始,大多数的高能物理学家就知道不靠谱(例如2000年有行内的赌盘,结果赌LHC不会发现超对称的占70%),偏偏一些学者在美国超弦界影响下,依然坚持做超对称实验,两年前的Panda X和这次的DAMPE不但都如有识之士早已预见的做了虚功,而且是美国实验的重复投资,即使误打误撞中了彩票,也只会是追救护车之举。因为比起美国稍早的版本,它们只多出一点点功能,而美国实验在设计的时候,就已经寻求效费比的最大化,所以名义上的多出来的那一点功能,实际上的物理意义是有限的。
例如这次悟空卫星,牺牲了寿命来追求高一点点的能阶。但是高能级的统计误差本来就大,再牺牲了寿命之后,就不太可能有足够的统计样本来得到确实的新结果。换句话说,Panda X和悟空卫星都是在投资上并不明智:不但找到信号的机率很低(小于0.1%),就算有信号,美国实验也大概率会先找到。美国人找不到而中国找到的脚本,很可能不会发生。
相比之下,前面提到Katelin Schutz真正推展了人类对暗物质的了解,所用的却只是几台简单的个人计算器。
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