O uso de ‘análises cegas’ na pesquisa em física das partículas e cosmologia

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Por Manuel Rub. Via Symmetry Magazine

Em uma oficina recente sobre análise cega, pesquisadores nas áreas de física das partículas e cosmologia discutiram como controlar as expectativas em seus resultados.

Experimentos científicos são projetados para determinar fatos sobre o nosso mundo. Mas em análises complicadas, há um risco de que os investigadores desintencionalmente distorcerem seus resultados para coincidir com o que eles estavam à espera de encontrar. Para reduzir ou eliminar esse potencial viés de confirmação, cientistas aplicar um método conhecido como “análise cega.”

Estudos cegos são provavelmente mais conhecidos da sua utilização em ensaios clínicos de drogas, no qual os pacientes são mantidos no escuro ou vendados sem saberem se eles estão recebendo uma droga real ou um placebo. Essa abordagem ajuda os pesquisadores a julgar se os seus resultados decorrem do próprio tratamento ou da crença do paciente de que eles estão melhorando com os medicamentos.

Os físicos de partículas e astrofísicos fazer estudos cegos também. A abordagem é particularmente valiosa quando cientistas procuram pequenos efeitos escondidos entre o ruído de fundo que apontam para a existência de algo novo, não contabilizado no modelo atual. Exemplos incluem as descobertas muito divulgadas do bóson de Higgs por experimentos no Grande Colisor de Hádrons do CERN e de ondas gravitacionais pelo detector da LIGO.

“Análises científicas são processos iterativos, em que fazemos uma série de pequenos ajustes nos modelos teóricos até os modelos que descrevem com precisão os dados experimentais”, disse Elisabeth Krause, uma pós-doc no Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas e Cosmologia, que é operado em conjunto pela Universidade de Stanford e o Departamento de Energia do SLAC National Accelerator Laboratory. “A cada passo de uma análise, existe o perigo de que o conhecimento prévio orienta a nossa forma de fazer ajustes. Análises cegas nos ajudam a tomar decisões independentes e melhores”.

Krause foi a principal organizadora de uma oficina recente na KIPAC que mostrou que as análises cegas poderiam ser incorporadas à próxima geração de pesquisas astronômicas que visam determinar –  com uma precisão nunca vista antes – de que o universo é feito e como seus componentes têm impulsionado a evolução cósmica.

Caixas-pretas e sal

“Um dos resultados do workshop foi a constatação de que não há uma dose certa para todos”, disse Kyle Story, pós doc da KIPAC e um dos organizadores do evento. “As análises cegas precisam ser projetadas individualmente para cada experimento.”

A forma como o teste é feito precisa deixar os pesquisadores com informações suficientes para permitir uma análise significativa, e isso depende do tipo de dados que saem de uma experiência específica.

Uma abordagem comum é basear a análise apenas em alguns dos dados, excluindo a parte em que uma anomalia pode estar escondida. Os dados excluídos podem estar em uma “caixa preta” ou “caixa de sinal escondido.”

Considere a busca do bóson de Higgs. Usando dados coletados com o Large Hadron Collider, até o final de 2011, os pesquisadores observaram indícios de uma colisão como um sinal em potencial de uma nova partícula com uma massa de cerca de 125 giga elétron-volts. Então, quando eles observaram para novos dados, eles deliberadamente colocaram em quarentena a faixa de massa em torno desta colisão que incidiu sobre os dados restantes.

Eles usaram os dados para certificar-se de que eles estavam trabalhando com um modelo suficientemente preciso. Em seguida, eles “abriram a caixa” e aplicaram esse mesmo modelo para a região intocada. A colisão acabou por ser a muito procurada partícula de Higgs.

Isso funcionou bem para os pesquisadores de Higgs. No entanto, como os cientistas envolvidos com o experimento Large Underground Xenon (LUX) relataram no workshop, o método de análise cega da “caixa preta” pode causar problemas se os dados que você expressamente não estiver considerando contiverem eventos raros cruciais para descobrir o seu modelo em primeiro lugar.

LUX concluiu recentemente uma das buscas mais sensíveis do mundo para encontrar as WIMPs – hipotéticas partículas de matéria escura, uma forma invisível de matéria que é cinco vezes mais prevalente do que a matéria normal. Cientistas do LUX têm trabalhado bastante para proteger o experimento de partículas de fundo construindo o detector em uma sala limpa, preenchendo-a com líquido completamente purificado, cercando-o com blindagem e instalando-o sob 1km de rocha sólida. Mas algumas partículas moribundas conseguem passar essas barreiras, e os cientistas precisam observar para todos os seus dados para encontrar tais partículas e eliminá-las.

Por essa razão, os pesquisadores do LUX escolheram uma abordagem ofuscante diferente para suas análises. Em vez de usar uma “caixa preta”, eles usam um processo chamado de “salga”.

Cientistas LUX não envolvidos na análise mais recente LUX acrescentaram eventos falsos nos sinais – com dados simulados que se parecem com os reais. Assim como os pacientes em um teste cego de drogas, os cientistas do LUX não sabiam se eles estavam analisando os dados reais ou o placebo. Uma vez de completarem sua análise, os cientistas que fizeram a “salga” revelaram que os eventos eram falsos.

Uma técnica semelhante foi usada por cientistas do LIGO, que recentemente fizeram a primeira detecção de ondulações extremamente pequenas do espaço-tempo chamadas de ondas gravitacionais.

Pesquisas astronômicas de alto risco

O workshop de análise cega na KIPAC focou-se em futuras pesquisas celestes que vão fazer medições sem precedentes da energia escura e da radiação cósmica de fundo (CMB) em microondas que ajudarão cosmólogos compreender melhor a evolução do nosso universo.

É pensado que a energia escura seja a força que está causando a expansão acelerada do universo a medida que o tempo passa. A CMB é um brilho fraco em microondas espalhado por todo o céu. É a luz mais antiga do universo, remanescente do tempo que o Cosmos tinha apenas 380.000 anos de idade.

Para lançar luz sobre as propriedades misteriosas da energia escura, a Dark Energy Science Collaboration está se preparando para usar dados do Large Synoptic Survey Telescope, que está em construção no Chile. Com a sua única câmera de 3.2 gigapixel, o LSST vai fazer a imagem de bilhões de galáxias que acredita-se sereem fortemente influenciadas pela energia escura.

“O teste cego vai nos ajudar a observar para as propriedades das galáxias escolhidas para esta análise independente das implicações cosmológicas conhecidas de estudos anteriores”, disse o membro DESC Krause. Uma maneira na qual a colaboração planeja “cegar” seus membros neste conhecimento prévio é distorcer as imagens de galáxias antes de entrar na análise propriamente dita.

Nem todo mundo na comunidade científica está convencido de que esta cegueira é necessária. Análises cegas são mais complicadas para projetar do que as análises não-cegas e levam mais tempo para ser concluídas. Alguns cientistas que participam de análises  cegas inevitavelmente passam um tempo observando para os dados falsos, e isso pode ser sentido como um desperdício.

No entanto, outros defendem fortemente a eficiência da cegueira. O pesquisadora da KIPAC Aaron Roodman, um físico de partículas que virou astrofísico, tem utilizado métodos de cegueira nos últimos 20 anos.

“As análises cegas já se tornaram bastante normais no mundo da física de partículas”, disse ele. “Elas vão ser também fundamentais para eliminar vieses na próxima geração de pesquisas cosmológicas, particularmente quando as apostas são altas. Nós só vamos construir um LSST, por exemplo, para fornecer-nos uma visão sem precedentes do céu.”

Traduzido e adaptado de Symmetry Magazine

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Graduado em Física pela UEPB. Mestrando em Cosmologia, gravitação e física das partículas pela UFCG. Possui experiência na área de divulgação científica com ênfase em astronomia, astrofísica, astrobiologia, cosmologia, biologia evolutiva e história da ciência. Possui experiência na área de docência informática, física, química e matemática, com ênfase em desenvolvimento de websites e design gráfico e experiência na área de artes, com ênfase em pinturas e desenhos realistas. Fundador do Projeto Mistérios do Universo, colaborador, editor, tradutor e colaborador da Sociedade Científica e do Universo Racionalista. Membro da Associação Paraibana de Astronomia. Pai, nerd, geek, colecionador, aficionado pela arte, pela astronomia e pelo Universo. Curriculum Lattes: http://lattes.cnpq.br/8938378819014229

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