Comment peut-on savoir si une découverte est vraiment significative ?

C’est une question qui se pose avec chaque nouvelle découverte scientifique majeure : qu’est-ce qui rend un résultat suffisamment fiable pour qu’il soit pris au sérieux ? La réponse à cette question a un rapport avec sa signification statistique, mais pas seulement.

L’unité de mesure habituellement utilisée lorsque l’on parle de signification statistique est l’écart type (déviation standard), qui s’écrit avec la lettre grecque sigma en minuscule (σ). L’écart type mesure la dispersion d’une série de valeurs autour de leur moyenne.

Dans de nombreuses situations, les résultats d’une expérience suivent ce qu’on appelle une loi normale (distribution normale). Par exemple, si vous lancez une pièce 100 fois et que vous comptez combien de fois elle retombe sur Pile, le résultat moyen devrait être 50. Mais si vous faites ce test 100 fois, la plupart des résultats seront proches de 50, mais pas exactement. Vous obtiendrez presque autant de résultats avec 49 ou 51. Vous aurez quelques 45 ou 55 mais presque pas de 20 ou 80. Si vous reportez ces résultats sur un graphique, vous obtiendrez une forme bien connue appelée courbe de Gauss qui est en forme de cloche. C’est la distribution normale.

L’écart type permet de connaitre l’éloignement d’un point donné par rapport à la moyenne. Dans l’exemple du Pile ou Face, un résultat de 47 a une déviation de 3 par rapport à la moyenne de 50. L’écart type est la racine carrée de la moyenne des carrés des déviations par rapport à la moyenne. Une déviation standard, 1 sigma, tracé au-dessus ou en dessous de la valeur moyenne sur cette courbe de distribution normale, définirait une région qui inclurait 68% de tous les points de données. 2 sigmas au-dessus ou en dessous incluraient environ 95% des données, et 3 sigma en incluraient 99,7%.

Quand est-ce qu’un point de données particulier (ou un résultat de recherche) peut-il être considéré comme significatif ? La déviation standard peut nous fournir un critère : si un point de données se trouve à quelques déviations standard du modèle testé, c’est une preuve forte que le point de données n’est pas compatible avec ce modèle. Cependant, la manière d’utiliser ce critère dépend de la situation. John Tsitsiklis (professeur de génie électrique au MIT) qui donne un cours appelé « Fundamentals of Probability » explique « La statistique est un art, avec beaucoup de place pour la créativité et les erreurs ». Une partie de cet art se résume à décider quelles mesures ont du sens dans un cadre donné.

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Le point sur la quête du Boson de Higgs

Les derniers résultats concernant la recherche du Boson de Higgs ont été présentés cet après-midi.

Le Boson de Higgs devrait se trouver entre 116 et 130 GeV d’après l’expérience ATLAS ou 115-127 GeV d’après l’expérience CMS (contre 114 et 141 GeV précédemment) avec une forte probabilité entre 125 et 126 GeV.

Les résultats de ATLAS sont compatibles avec un Higgs à 125-126 GeV à un niveau statistique d’au plus 3,6 déviations standard, et l’équipe de l’expérience CMS rapporte un signal de 124 GeV d’au plus 2,6 déviations standard. En physique des particules, 5 déviations standard est considéré comme une preuve de l’existence d’une particule.

En 2012 on devrait accumuler 4 fois plus de données que celles obtenues en 2011. Cette quantité de donnée est nécessaire pour que le Boson de Higgs soit découvert ou bien définitivement écarté.

PS : Si jamais le CERN a une grande nouvelle scientifique a annoncer, j’espère qu’ils n’utiliseront pas de Comic Sans Serif ou de Gif animé comme c’était le cas aujourd’hui… (il faut vraiment le dire à Fabiola Gianotti)

Les neutrinos sont toujours en excès de vitesse

Fin septembre, des scientifiques de l’expérience OPERA avaient annoncé que des neutrinos avaient dépassé la vitesse limite possible dans notre Univers : la vitesse de la lumière. Depuis, des scientifiques du monde entier ont essayé de repérer des erreurs qui auraient pu mener à ce résultat.

Des critiques concernant la précision des impulsions de protons ont conduit les responsables de OPERA à reproduire l’expérience avec une bien meilleure précision.

Les impulsions de protons que le CERN utilisait pour produire chaque neutrino étaient relativement longues : 10,5 microsecondes pour chaque impulsion. Pour améliorer la précision et répondre ainsi aux critiques, les scientifiques de l’expérience OPERA ont demandé au CERN de générer des impulsions de protons beaucoup plus courtes (3 nanosecondes).

L’équipe a enregistré 20 évènements avec la même signifiance statistique que pour les premiers résultats. Les neutrinos arrivent toujours avec 60 nanosecondes d’avance par rapport à la vitesse de la lumière.

Non seulement la précision du faisceau a été améliorée, mais l’analyse statistique est également plus robuste et a été répliquée par d’autres équipes que l’équipe d’origine (mais faisant partie d’OPERA).

Si ces résultats écartent les incertitudes concernant la durée des impulsions de protons, il y a peu de chances que ce soit le cas pour les problèmes posés par l’utilisation du système GPS pour synchroniser les horloges. L’utilisation du système de navigation par satellite dans le domaine de la physique des particules n’est pas une technique ayant fait ses preuves.

Pour la plupart des physiciens en dehors de OPERA, le test clé sera la réplication du phénomène par l’expérience MINOS du Fermilab. L’équipe de MINOS a publié une déclaration expliquant qu’ils modernisaient leur système pour obtenir la même précision que l’expérience OPERA. Une vérification préliminaire des résultats d’OPERA avec le système existant pourrait avoir lieu dès le début de l’année prochaine.

« OPERA doit être félicité pour avoir fait ces vérifications importantes mais des vérifications indépendantes est le chemin à suivre » a déclaré Rob Plunkett, porte-parole de MINOS

Source : Nature // Papier publié sur ArXiv

Les neutrinos voyageraient plus vite que la lumière

Une expérience italienne a apporté des preuves que les neutrinos peuvent voyager plus vite que la lumière. Si cela s’avérait exact, cela remettrait en cause une des règles les plus fondamentales de la physique moderne : que rien ne peut voyager plus vite que 299 792 458 mètres par seconde.

L’expérience OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) se situe à 1400 mètres de profondeur sous le Gran Sasso National Laboratory italien. Elle a été conçu pour étudier les faisceaux de neutrinos en provenance du CERN, situé à 730 Km de là à Genève.

Les neutrinos sont des particules fondamentales électriquement neutres, ayant une masse extrêmement faible et n’interagissant que très peu avec la matière. On les trouve tout autour de nous. Le Soleil les produit en si grande quantité que des milliards de neutrinos nous traversent chaque seconde.

Les neutrinos, tels que détectés par OPERA, sont arrivés 60 nanosecondes plus rapidement qu’ils ne l’auraient fait à la vitesse de la lumière. « Nous sommes sous le choc » a déclaré Antonio Ereditato, physicien de l’Université de Berne (Suisse) et porte-parole de l’expérience OPERA.

« Nous sommes sous le choc » a déclaré Antonio Ereditato, physicien de l’Université de Berne (Suisse) et porte-parole de l’expérience OPERA. Les chercheurs affirment avoir mesuré la distance entre le CERN et le laboratoire à 20 centimètres près. Ils peuvent mesurer le temps du voyage à 10 nanosecondes près et ont vu l’effet se reproduire dans plus de 16 000 évènements mesurés au cours des 2 dernières années. Le groupe présentera ses résultats demain au CERN et une prépublication sera postée sur ArXiv.org

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De l’antimatière piégée pendant 1000 secondes

Des scientifiques du CERN travaillant sur l’ALPHA (Antihydrogen Laser PHysics Apparatus) ont piégé 309 atomes d’antihydrogène pendant 1000 secondes, soit près de 17 minutes.

C’est un immense progrès par rapport au précédent record qui date de 2010 : 38 antiatomes avaient été piégés pendant 172 millisecondes

La nouvelle est très importante car elle rend possible une nouvelle série d’expériences qui vont permettre de répondre à de nombreuses questions dont la plus intéressante concerne la manière dont l’antimatière est influencée par la gravité : Est-ce que la gravité attire ou repousse l’antimatière ? En d’autres mots, est-ce que l’antimatière tombe vers le haut ou vers le bas ?

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