Как теория может влиять на экспериментальные результаты?
Среди всех типов погрешностей, «теоретическая погрешность» может показаться самой неуместной в применении к экспериментальному результату. Ведь теория обычно сама по себе, а эксперимент — сам по себе; почему это экспериментальные данные должны зависеть от теории?
Причин здесь как минимум две. Во-первых, за редчайшими исключениями, экспериментальные исследования не самодостаточны, а опираются на какие-то более ранние эксперименты. Если те ранние эксперименты проводились в точно таких же условиях, что и новый, то использовать их результаты нетрудно. Но часто бывает так, что те эксперименты проводились при одних условиях, а новый — при других. Но от условий могут меняться физические величины. Например, интенсивность сильного взаимодействия и масса кварков не постоянны, а зависят от энергии тех процессов, в которых они участвуют. Поэтому даже если они были измерены при одной энергии, они могут измениться в новых условиях, и только теория сможет сказать, как именно они изменятся.
Получается, что один эксперимент хочет опираться на другой эксперимент, но связующим мостиком является теория. Так теоретические неопределенности могут проникнуть в экспериментальные результаты.
Другой, более серьезный вариант таков. Современная экспериментальная физика хочет дотянуться до всех измеряемых свойств нашего мира, в том числе и до тех, которые трудно интерпретировать. По правде говоря, таких свойств большинство. Трудность интерпретации означает, что прямые экспериментальные данные сами по себе еще мало что говорят, нужна теория, чтобы привести их к реально интересному виду. В этом случае экспериментатор сознательно опирается на то, что насчитали теоретики.
Вот один очень показательный пример. Когда на коллайдерах ищут хиггсовский бозон, экспериментаторы хотят не только убедиться в его наличии, но и проверить, насколько часто он рождается, не превышает ли темп рождения того, что ожидается в Стандартной модели. Удобный способ выполнить это сравнение — найти отношение реально измеренного темпа рождения бозона к теоретическим предсказаниям Стандартной модели. Но теоретические предсказания не идеальны, в них есть свои неопределенности, и они неизбежно влияют на экспериментально измеренное отношение.
Конечно, можно вообще отказаться от таких измерений, которые слишком чувствительны к теоретическим неопределенностям. Но это моментально отрубит целый список очень интересных вопросов: нет ли проявлений Новой физики в свойствах хиггсовского бозона, и вообще, точно ли это хиггсовский бозон? Отказ отвечать на такие вопросы равносилен отказу вообще изучать интересную физику частиц. Намного полезнее всё же за них браться, но при этом надо понимать, что в измерениях появляется новый источник погрешности, причем источник, неподконтрольный экспериментатору. Это, конечно, некоторая жертва, но за ней могут последовать потенциальные открытия.
В качестве примера того, как теоретические погрешности могут влиять на выводы экспериментаторов, см. новость Теоретики сомневаются в надежности результатов Тэватрона по хиггсовскому бозону.
Моделирование как источник погрешностей
Тут надо подчеркнуть одну очень важную характеристику современных экспериментов в физике частиц, и в особенности экспериментов на адронных коллайдерах. Столкновение протонов настолько сложно, что теория даже близко не может его точно рассчитать. Теория может рассчитать лишь один (но самый важный) подпроцесс в этом столкновении. Всё остальное — и особенно адронизацию — физики вынуждены моделировать. Конечно, это моделирование опирается и на теорию, и на предыдущие эксперименты, но оно всё равно включает модельные предположения. Разные модельные предположения могут приводить к разным результатам моделирования (см. пример в новости Детектор ALICE изучает тонкие эффекты в рождении адронов), а это влияет и на окончательный экспериментальный результат. Увы, но избавиться от моделирования при интерпретации адронного эксперимента невозможно, и потому физикам остается только аккуратно оценивать погрешность моделирования.
Еще более экстремальный (но по-прежнему очень частый) случай погрешностей моделирования возникает, когда в данных требуется отделить сигнал от фона. Скажем, вы хотите зарегистрировать сигнал от нестабильной частицы, рождающейся в столкновении и тут же распадающейся на электрон-позитронную пару. Но ведь эта же пара могла родиться и просто так, без промежуточной нестабильной частицы (это называется «фон»). Детектор эти два варианта не отличит. Поэтому вам надо набрать статистику рождения таких пар и затем сравнить данные с результатом моделирования обоих процессов. Иногда фонов бывает несколько, и тогда приходится моделировать все их и суммировать в общий результат. Ясно, что в таком анализе надежный поиск сигнала становится еще сложнее из-за большого количества погрешностей моделирования.