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.

Par exemple, si vous faites un sondage sur les intentions de vote aux élections, la convention acceptée est que 2 déviations standard au-dessus ou en dessous de la moyenne nous donne un niveau de confiance de 95%, ce qui est raisonnable. Cet intervalle de 2 sigmas est ce à quoi les sondeurs font référence lorsqu’ils parlent de « marge d’erreur d’échantillonnage ».

Cela signifie que si vous faites un sondage sur une population entière et que vous obtenez une certaine réponse, et posez la même question à un 2ème groupe aléatoire de 1000 personnes, il y a 95% de chance que les résultats du 2ème groupe tombe dans les 2 sigmas du premier résultat. Si un sondage révèle que 55% de la population favorise le candidat A, alors, dans 95% du temps, un 2ème sondage pourrait indiquer un chiffre qui pourrait se situer entre 52 et 58%

Bien sûr, cela signifie aussi que dans 5% du temps, le résultat serait en dehors de l’intervalle de 2 sigmas. Cette incertitude est correcte pour un sondage d’opinion mais pas pour le résultat d’une expérience cruciale concernant la compréhension d’un phénomène important comme par exemple, l’annonce en automne dernier de la détection de neutrinos qui se déplacent plus vite que la vitesse de la lumière.

Techniquement, les résultats de cette expérience ont un très haut niveau de confiance : 6 sigmas. Dans la plupart des cas, un résultat de 5 sigmas est considéré comme une preuve suffisamment solide qui correspond à enciron 1 chance sur un million qu’une découverte soit simplement le résultat de variations aléatoires. Ce résultat de 6 sigmas signifie qu’il y a une chance sur 500 millions que la découverte soit un coup de chance.

Mais, pour cette expérience qui a le potentiel de remettre en question la physique moderne, 6 sigmas n’est pas un résultat suffisant. Pourquoi ? Parce que cela suppose que les chercheurs ont fait une analyse correcte et n’ont pas négligé la source d’une erreur systématique. Le résultat est si inattendu et révolutionnaire que c’est ce que la plupart des physiciens pensent qu’il est arrivé : une source d’erreur non détectée.

De manière intéressante, d’autres résultats provenant du même accélérateur de particules ont été interprétés assez différemment.

Une possible détection d’une particule appelée Boson de Higgs a été annoncée en fin d’année dernière. Les résultats avaient un niveau de confiance de seulement 2,3 sigmas, qui correspond à la probabilité d’une chance sur 50 que cela soit du à des erreurs aléatoires (niveau de confiance de 98%). Mais, parce que cela correspond à ce qui est attendu, la plupart des physiciens pensent que ce résultat doit être correct, malgré un niveau de confiance statistique beaucoup plus bas.

Cela devient encore plus compliqué dans d’autres domaines. Et particulièrement en sciences sociales et sciences médicales, comme l’explique Tsitsiklis. Un article de 2005 intitulé « Why most published research findings are wrong » (Pourquoi la plupart des résultats de recherche publiés sont faux) donne une analyse détaillée d’une variété de facteurs qui pourraient mener à de conclusions injustifiées. Cependant, ces facteurs ne sont pas pris en compte dans les mesures statistiques typiques utilisées, qui incluent la signification statistique.

L’article souligne que, en regardant de grands ensembles de données de suffisamment de manières différentes, il est facile de trouver des exemples qui passent les critères habituels de signification statistique même si ce ne sont que des variations aléatoires. Rappelez-vous l’exemple du sondage où une fois sur 20 (5%) le résultat tombe aléatoirement en dehors la zone de signification statistique. Même avec un niveau de confiance de 5 sigmas, si un ordinateur parcours des millions de possibilités il découvrira certains motifs totalement aléatoires qui répondent aux critères. Lorsque cela se produit, « vous ne publiez pas ceux qui ne passent pas » le test de signification statistique, mais certaines corrélations aléatoires donneront l’apparence de véritables découvertes. Et vous vous retrouvez à publier des résultats qui relèvent du coup de chance.

Un exemple : Plusieurs publications des 10 dernières années soutenaient qu’il y avait des corrélations significatives entre certains types de comportements ou processus de pensée et des images du cerveau obtenues grâce à l’imagerie par résonnance magnétique (MRI). Mais ces tests peuvent parfois trouver des corrélations apparentes qui sont seulement le résultat de fluctuations naturelles, ou « bruit », dans le système. En 2009, un chercheur a répété une telle expérience sur la reconnaissance des expressions faciales. Mais au lieu de réaliser cette expérience sur des sujets humains, il avait scanné un poisson mort (et avait obtenu des résultats « significatifs »).

Si vous regardez à suffisamment d’endroits, vous pouvez obtenir ce genre de résultat de « poisson mort », explique Tsitsiklis. Mais, à l’inverse, un résultat avec une faible signification statistique peut néanmoins soulever quelque chose qui mérite d’être étudié.

Il faut donc bien garder à l’esprit que ce n’est pas parce qu’un résultat répond à la définition acceptée de la signification statistique que cela en fait un résultat forcément significatif. Tout dépend du contexte.

Source : MIT

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)

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

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

En 2007, un effet similaire avait déjà été détecté, mais avec un niveau de confiance beaucoup plus faible, par l’expérience MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search) qui a vu des neutrinos en provenance du Fermilab (Illinois) arriver avec une légère avance. A l’époque l’équipe de MINOS a minimisé le résultat en partie à cause de la trop grande incertitude sur la position exacte du détecteur, explique Jenny Thomas, porte-parole de l’expérience.

Si MINOS confirmait les résultats de OPERA, les conséquences seraient énormes. « Si vous abandonnez la vitesse de la lumière, la construction de la relativité restreinte ne tient plus » a déclaré Antonino Zichichi, physicien théoricien et professeur de physique à l’Université de Bologne. Il ajoute que les neutrinos détectés par OPERA pourraient peut-être passer à travers des dimensions supplémentaires de l’Espace telles que prédites par des théories comme la théorie des cordes.

John Ellis, un physicien théoricien du CERN, qui a déclaré « Si c’est vrai, alors c’est vraiment extraordinaire » reste sceptique. De nombreuses expériences ont déjà cherché des particules voyageant plus vite que la lumière mais sont repartis bredouilles. Le plus troublant pour OPERA est une analyse faite sur les neutrinos provenant de la supernova 1987a. Si la vitesse des neutrinos détectés par OPERA est atteignable par tous les neutrinos, alors ceux provenant de cette supernova auraient dû être détectés des années avant le flash lumineux. Mais au lieu de ça ils sont arrivés à quelques heures d’intervalle. « C’est difficile à réconcilier avec ce que voit OPERA ».

D’après Nature

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 ?

De nombreuses tentatives visant à réaliser cette expérience n’ont pas été concluantes car la quantité d’antimatière piégée n’était pas suffisante.

Mais cela devrait changer car l’équipe de scientifiques d’ALPHA envisage de refroidir un petit « morceau » d’antihydrogène pour déterminer s’il s’élève ou chute. Cela signifie que les physiciens devraient avoir leur réponse dans les prochains mois.

Via Technology Review – Résultats publiés sur ArXiv

Selon Rolf Heuer, directeur général du CERN, l’intensité de faisceau est la clé du succès du LHC. Plus l’intensité est élevée, plus il y a de données. Et plus on a de données plus le potentiel de découverte est important.

Qu’est-ce que la luminosité ?

En ce qui concerne la recherche expérimentale en physique des particules, 2 propriétés sont importantes : l’énergie et la luminosité

La luminosité donne une mesure du nombre de collisions de particules qui se produisent dans un accélérateur de particules. Plus la luminosité est élevée plus les particules sont susceptibles d’entrer en collision. La luminosité est directement liée à l’intensité du ou des faisceaux de particules employés et à la taille du point sur lequel sont concentrées les faisceaux.

Les plus fortes luminosités sont atteintes avec des installations à cible fixe où l’on peut utiliser un solide dense comme cible. Les cibles stationnaires sont souvent utilisées pour produire d’intenses faisceaux de particules qui ne peuvent pas être accélérées ou stockées dans des collisionneurs de particules à cause de leur faible durée de vie (muons, Kaons chargés ou mésons p) ou leur absence de charge électrique (neutrons ou neutrinos)

La luminosité des collisionneurs est beaucoup plus faible à cause de la faible densité des faisceaux comparé à de la matière ordinaire. Cependant, l’accroissement de l’énergie fait plus que compenser la faible luminosité.

Une de ces méthodes consiste à comparer l’atome d’hydrogène (constitué d’un proton et d’un électron) avec l’atome d’antihydrogène (constitué d’un antiproton et d’un positron) pour voir s’ils se comportent de la même manière. La matière et l’antimatière sont identiques, à l’exception de leur charge.

Le CERN est le seul laboratoire au monde disposant d’une installation dédiée aux antiprotons à basse énergie où l’on peut mener ce genre de recherches.

En 1995, les 9 premiers atomes d’antihydrogènes ont été produits au CERN. En 2002, les expériences ATHENA et ATRAP ont montré qu’il était possible de produire de l’antihydrogène en grande quantité, ouvrant la possibilité de mener des études détaillées.

L’expérience ALPHA, menée au Décélérateur d’antiprotons du CERN, a franchi une étape importante en développant des techniques permettant de comprendre quelle est la différence entre la matière et l’antimatière.

Hier, 17 novembre 2010, le CERN a annoncé avoir réussi à produire et capturer des atomes d’antihydrogène. Les résultats ont été publiés aujourd’hui dans le journal Nature

Les atomes d’antihydrogène sont produits dans le vide mais sont néanmoins entourés de matière ordinaire. La matière et l’antimatière s’annihilant lorsqu’elles entrent en contact, les atomes d’antihydrogène ont une espérance de vie très courte. Elle peut cependant être prolongée à l’aide de champs magnétiques forts et complexes qui permettent de capturer les atomes d’antihydrogène pour les empêcher d’entrer en contact avec la matière ordinaire.

L’expérience ALPHA a montré qu’il était possible de maintenir des atomes d’antihydrogène de cette manière pendant 1/10e de seconde : suffisamment longtemps pour les étudier. Sur les milliers d’antiatomes créés, seulement 38 ont été capturés assez longtemps pour être étudiés.

« Pour des raisons que personne ne comprend encore, la nature a exclu l’antimatière. Il est ainsi très gratifiant, et un peu bouleversant, de regarder ALPHA en sachant qu’il contient des atomes neutres et stables d’antimatière » a déclaré Jeffrey Hangst (Université Aarhus, Danemark) le porte parole de l’expérience ALPHA. « Cela nous inspire à travailler encore plus dur pour voir si l’antimatière garde un secret ».

D’après Symmetry Magazine

Le nombre de particules chargées produites à partir de plusieurs milliers de collisions frontales a été mesuré. Environ 18000 particules sont produites à partir des collisions d’ions de plomb, ce qui est environ 2,2 fois plus que le nombre de particules produites lors des collisions d’ions d’or du RHIC (Brookhaven National Laboratory).

L’énergie des collisions d’ions de plomb du LHC était 13 fois supérieure à celle du RHIC. La prédiction d’une augmentation du nombre de particules produites semblerait évidente. Pourtant, c’est le contraire. La majorité des théories prédisait un nombre plus faible que celui mesuré par ALICE en raison d’une étrange propriété du monde des quarks et des gluons.

« Imaginez que vous ayiez une loupe assez puissante permettant de voir un atome de plomb », explique John Harris (Université de Yale, membre de l’expérience ALICE). « Quand vous regardez le noyau avec le plus faible grossissement vous verrez 3 quarks et quelques gluons. En augmentant le grossissement vous verrez le même nombre de quarks mais des gluons toujours plus nombreux » Lors des collisions aux énergies supérieures du LHC, nous sondons des tailles et des distances de plus en plus petites comme dans le cas de la loupe, et à ce niveau les gluons joueront un grand rôle dans ce qu’il se passe ».

Parmi les théoriciens qui travaillent à la description de ce qui se passe lors de ces collisions, une école de pensée affirmait qu’il y avait une limite au nombre de gluons qui pouvaient s’accumuler dans une certaine zone. Cela devrait donc mener selon eux à une saturation. Plus aucune particules ne devrait être produites arrivé à cette limite. Mais pour le moment, les résultats publiés par l’équipe de ALICE montre que, si cette limite existe, elle n’a pas encore été atteinte par le LHC.

Les premiers résultats de collisions d’ions de plomb confirment également que le plasma quark-gluon obtenu s’écoule comme un liquide (et non pas un gaz).

D’arpès Symmetry Magazine

Un courant électrique est utilisé pour retirer quelques électrons de chaque atome. Ces atomes sont lentement accélérés autour de l’anneau de 27 Km du LHC jusqu’à ce qu’ils perdent tous leurs électrons et deviennent ainsi des ions.

Lorsqu’ils atteignent 1,38 TeV, on dirige les faisceaux de manière à ce qu’ils entrent en collision au centre des 3 détecteurs.

Source : Telegraph.co.uk

Les ions de plomb sont accélérés à une vitesse très proche de la vitesse de la lumière pour atteindre une énergie de 287 TeV par faisceau. Cette énergie est beaucoup plus élevée que celle obtenue avec des protons parce que les ions de plomb contiennent 82 protons.

Une température de 10 billions de °C a été atteinte : c’est 500 000 fois plus chaud que le centre du Soleil (qui est d’environ 20 millions de °C)

Le but est de recréer les conditions qui ont existé un millionième de seconde après le Big Bang.

En étudiant le plasma quark-gluon qui en résulte, les scientifiques espèrent en apprendre plus sur la force nucléaire forte (ou intéraction forte), l’une des 4 forces fondamentales de l’Univers (avec la force nucléaire faible, la force électromagnétique et la force gravitationnelle). Cette force nucléaire forte, 1000 fois plus forte que la force électromagnétique, est responsable de la cohésion du noyau atomique. Elle maintient les quarks ensemble pour former les protons et les neutrons (qui composent ne noyau atomique).

Le détecteur ALICE (A Large Heavy Ion Experiment), qui pèse 10 000 tonnes et mesure 26x16x16m, a été spécialement optimisé pour étudier les résultats de ces collisions d’ions lourds. Les détecteurs ATLAS et CMS seront également utilisés.

Le LHC sera arrêté pour maintenance le 6 décembre 2010 et sera redémarré en février 2011.

Via CERN