基于統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)處理與理論之間的橋梁.pdf

1、物理學(xué)歸根結(jié)蒂是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，是描述自然界最本質(zhì)規(guī)律的科學(xué)。然而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的堆砌不是我們對(duì)于自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)。從牛頓時(shí)代開(kāi)始，物理學(xué)家通過(guò)運(yùn)用了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的數(shù)學(xué)工具對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象歸納，整理和深化，提煉出具有普遍性的規(guī)律。今天我們?nèi)栽谧裱@一過(guò)程，根據(jù)觀測(cè)到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象“猜到”物理定律。由于它的規(guī)律性和普遍性，它可以解釋和預(yù)言其它物理現(xiàn)象。當(dāng)然這不是全部過(guò)程。這些整理出來(lái)的規(guī)律還必須進(jìn)一步得到實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。當(dāng)運(yùn)用到解釋自然現(xiàn)象時(shí)，如果理論預(yù)言和測(cè)量數(shù)

2、據(jù)一致，說(shuō)明理論的合理性，反之則說(shuō)明得到的理論或者不對(duì)，或者有局限性需要推廣和修正。這是一個(gè)不斷重復(fù)的復(fù)雜過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)是建立實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論間的橋梁。例如，第谷－開(kāi)普勒－牛頓關(guān)于萬(wàn)有引力的研究就是從純粹觀測(cè)數(shù)據(jù)到總結(jié)出規(guī)律，最后提煉出牛頓引力定律的漫長(zhǎng)過(guò)程，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)都是必不可少的。然而在三個(gè)世紀(jì)之前，那時(shí)所涉及的物理不是很復(fù)雜，需要高度專(zhuān)業(yè)的知識(shí)也較少，這個(gè)中間環(huán)節(jié)也許還比較簡(jiǎn)單。然而隨著科學(xué)的飛速發(fā)展，人類(lèi)

3、積累的知識(shí)越來(lái)越多，分工越來(lái)越細(xì)，學(xué)科也越來(lái)越復(fù)雜，一個(gè)人很難兼顧理論與實(shí)驗(yàn)，不論理論還是實(shí)驗(yàn)都需要越來(lái)越專(zhuān)越來(lái)越多的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。理論越來(lái)越艱深，需要的數(shù)學(xué)工具越來(lái)越多。相應(yīng)的，實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展也越來(lái)越迅速，微觀物理隨機(jī)的本性又使得粒子物理的實(shí)驗(yàn)都需要大統(tǒng)計(jì)量，數(shù)據(jù)分析技術(shù)也越來(lái)越專(zhuān)業(yè)，實(shí)驗(yàn)儀器越來(lái)越復(fù)雜，越來(lái)越昂貴，甚至到了單個(gè)國(guó)家難以承受的程度。物理學(xué)的復(fù)雜化使得理論和實(shí)驗(yàn)的分工越來(lái)越鮮明，已經(jīng)很少有人能真正兼顧理論和實(shí)驗(yàn)。出現(xiàn)了理論物

4、理學(xué)家不理解實(shí)驗(yàn)文章的關(guān)鍵和細(xì)節(jié)，不知道如何做做數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，誤差分析，背景檢驗(yàn)和去除，這對(duì)判斷理論與實(shí)驗(yàn)的符合程度是非常不利的。而且提出的模型往往沒(méi)有考慮實(shí)驗(yàn)背景，也給實(shí)驗(yàn)家設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)置了困難。而實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)家又看不懂理論物理學(xué)家提出的含有艱深數(shù)學(xué)知識(shí)的物理圖像，不知道應(yīng)該測(cè)量什么樣的信號(hào)，不知道如何安排相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)它。理論和實(shí)驗(yàn)之間似乎存在了一道鴻溝。這個(gè)時(shí)候就需要有這樣一些人，他們既懂基本理論，又懂實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法，并致力

5、于為理論物理學(xué)家和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家之間架設(shè)一個(gè)通道：對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析的準(zhǔn)確性和對(duì)理論模型的正確性、局限性做出判斷，并且確定理論模型參數(shù)，提出疑難問(wèn)題；另一個(gè)方向是從理論模型的出發(fā)，對(duì)測(cè)量指標(biāo)的選定，包括背景的全面分析等等，讓實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家真正設(shè)計(jì)構(gòu)造一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)。本論文的內(nèi)容就是從這兩個(gè)方向出發(fā)在理論和實(shí)驗(yàn)之間建立一座基于統(tǒng)計(jì)的橋梁。
　　 在這個(gè)思想的指引下，我們?cè)诒菊撐闹凶隽巳齻€(gè)工作：1，系統(tǒng)地研究了在無(wú)粲稀有B衰變中湮滅圖的貢

6、獻(xiàn)，這在以前的所有相應(yīng)理論研究中都是認(rèn)為很小而忽略不計(jì)的。通過(guò)研究B+→K+-K0和B0→K0-K0的分支比的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)，湮滅圖的貢獻(xiàn)不能是零。并且，我們還發(fā)現(xiàn)，非零的湮滅圖在B+→π+K0，K+-K0的CP不對(duì)稱(chēng)比率中起了很關(guān)鍵的作用。在這個(gè)工作中我們還對(duì)新物理貢獻(xiàn)提出了限制。2，第一次通過(guò)最小X2數(shù)據(jù)處理方法對(duì)躍遷ψ(ns)→ψ(m8)+ππ和γ(ns)→γ(ms)+ππ的QCD多極展開(kāi)的勢(shì)模型方法的參數(shù)做了擬合，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中

7、提取出了盡可能多的理論信息。通過(guò)研究，我們確定了關(guān)于b和c的hybrid態(tài)的勢(shì)模型參數(shù)，這在以前是通過(guò)假定某個(gè)態(tài)是hybrid來(lái)確定的。從而保證了理論計(jì)算的可靠性。同時(shí)我們對(duì)ηb的質(zhì)量做出預(yù)測(cè)。我們發(fā)現(xiàn)，夸克膠子混合態(tài)的基態(tài)在實(shí)驗(yàn)中并沒(méi)有對(duì)應(yīng)的觀測(cè)態(tài)，這可能暗示我們夸克膠子混合態(tài)總是和正常的夸克反夸克對(duì)總是混合在一起。3，研究了在高能物理實(shí)驗(yàn)中Bell不等式的檢驗(yàn)。我們首先第一次利用蒙特卡洛隨機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法模擬級(jí)聯(lián)衰變J/ψ→γη→∧-