Co oznacza poziom ufności 5 sigma?

Pytanie

Pyta Sławomir Buć

Co oznacza, że jakieś odkrycie – np. nowej cząstki, powiedzmy bozonu Higgsa – jest na poziomie ufności 5 sigma?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Oznacza to z grubsza, że dane obserwacyjne są zgodne z hipotezą istnienia tej cząstki, natomiast prawdopodobieństwo ich zgodności z hipotezą nieistnienia tej cząstki jest mniejsze niż $P \simeq 6 \times 10^{-7}$. Wartość $P$ otrzymujemy całkując gaussowski rozkład prawdopodobieństwa

$\rho(x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi\sigma}} \exp\left(\frac{-x^2}{2\sigma^2}\right)$

od 5 sigma do nieskończoności i mnożąc przez 2, tj.

$P = 2 \int_{5\sigma}^{\infty} \rho(x) dx$.

W przypadku cząstki Higgsa jednym z ważniejszych obserwowanych rozpadów jest jej rozpad na 4 naładowane miony ($\mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$). Mierzona masa inwariantna stanu końcowego powinna być zgodna z masą cząstki Higgsa, większą około 133-krotnie od masy protonu. Kolekcjonujemy przypadki, w których detektor zarejestrował 4 miony, robimy wykres ich masy inwariantnej, i sprawdzamy, czy występuje w nim ostre maksimum (pik) w okolicy masy cząstki Higgsa. Im wyraźniejszy jest ten pik, tym mniejsze jest prawdopodobieństwo, że powstał wskutek przypadkowej korelacji energii i pędów mionów wyprodukowanych w innych procesach. Prawdopodobieństwo takiej przypadkowej korelacji jesteśmy w stanie obliczyć w sposób niezależny od tego, czy cząstka Higgsa istnieje, czy też nie. Na tej podstawie znajdujemy wspomniane wyżej prawdopodobieństwo $P$.