En un taller reciente sobre análisis ciego, los investigadores discutieron cómo mantener sus expectativas fuera de sus resultados.
Crédito de la imagen: Artwork by Corinne Mucha
Por Manuel Gnida, para Symmetry Magazine Mayo 16 de 2017
Los experimentos científicos están diseñados para determinar hechos sobre nuestro mundo. Pero en los análisis complicados, existe el riesgo de que los investigadores sesguen involuntariamente sus resultados para que coincidan con lo que esperaban encontrar. Para reducir o eliminar este posible sesgo, los científicos aplican un método conocido como "análisis ciego".
Es probable que los estudios ciegos se conozcan mejor a partir de su uso en ensayos clínicos con medicamentos, en los cuales los pacientes se mantienen a oscuras, o ciegos a ellos, si están recibiendo un fármaco real o un placebo. Este enfoque ayuda a los investigadores a juzgar si sus resultados se derivan del tratamiento en sí mismo o de la creencia de los pacientes de que lo están recibiendo.
Los físicos de partículas y los astrofísicos también hacen estudios ciegos. El enfoque es particularmente valioso cuando los científicos buscan efectos extremadamente pequeños escondidos entre el ruido de fondo que apuntan a la existencia de algo nuevo, no contabilizado en el modelo actual. Los ejemplos incluyen los descubrimientos muy publicitados del bosón de Higgs por experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN y de ondas gravitacionales por el detector Advanced LIGO.
"Los análisis científicos son procesos iterativos, en los que realizamos una serie de pequeños ajustes a los modelos teóricos hasta que los modelos describen con precisión los datos experimentales", dice Elisabeth Krause, postdoctorado en el Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas y Cosmología, que es operado conjuntamente por Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía. "En cada paso del análisis, existe el peligro de que los conocimientos previos guíen la forma en que hacemos los ajustes. Los análisis ciegos nos ayudan a tomar decisiones independientes y mejores ".
Krause fue el principal organizador de un taller reciente en KIPAC que analizó cómo los análisis ciegos podrían incorporarse a las encuestas astronómicas de próxima generación que tienen como objetivo determinar con mayor precisión que nunca de qué está hecho el universo y cómo sus componentes han impulsado la evolución cósmica.
Cajas negras y sal
Un resultado del taller fue el hallazgo de que no existe un enfoque único para todos, dice el postdoctoral KIPAC Kyle Story, uno de los organizadores del evento. "Los análisis ciegos deben diseñarse individualmente para cada experimento".
La forma en que se realiza el cegamiento debe dejar a los investigadores con suficiente información para permitir un análisis significativo, y depende del tipo de datos que provienen de un experimento específico.
Un enfoque común es basar el análisis en solo algunos de los datos, excluyendo la parte en la que se cree que se oculta una anomalía. Se dice que los datos excluidos están en una "caja negra" o "caja de señal oculta".
Busque la búsqueda del bosón de Higgs. Utilizando datos recolectados con el Gran Colisionador de Hadrones hasta el final de 2011, los investigadores vieron indicios de un golpe como un posible signo de una nueva partícula con una masa de aproximadamente 125 gigaselectronvoltios. Así que cuando miraron nuevos datos, deliberadamente pusieron en cuarentena el rango de masa alrededor de este golpe y se centraron en los datos restantes.
Usaron esa información para asegurarse de que estaban trabajando con un modelo suficientemente preciso. Luego "abrieron la caja" y aplicaron el mismo modelo a la región intacta. El golpe resultó ser la partícula de Higgs largamente buscada.
Eso funcionó bien para los investigadores de Higgs. Sin embargo, a medida que los científicos involucrados en el experimento de Xenón subterráneo grande informaron en el taller, el método de "cuadro negro" de análisis ciego puede causar problemas si los datos que no está mirando expresamente contienen eventos excepcionales cruciales para descifrar su modelo en el primer lugar.
LUX ha completado recientemente una de las búsquedas más sensibles del mundo para WIMP: partículas hipotéticas de materia oscura, una forma invisible de materia que es cinco veces más frecuente que la materia normal. Los científicos de LUX han trabajado mucho para proteger a LUX contra las partículas de fondo, construyendo el detector en una sala limpia, llenándolo con un líquido completamente purificado, rodeando con blindaje e instalándolo debajo de una milla de roca. Pero algunas partículas extraviadas lo hacen a pesar de todo, y los científicos necesitan ver todos sus datos para encontrarlos y eliminarlos.
Por esa razón, los investigadores de LUX eligieron un enfoque cegador diferente para sus análisis. En lugar de usar un "recuadro negro", usan un proceso llamado "salado".
Los científicos de LUX que no participaron en el análisis de LUX más reciente agregaron eventos falsos a las señales simuladas de datos que simplemente parecen reales. Al igual que los pacientes en una prueba de drogas ciega, los científicos de LUX no sabían si estaban analizando datos reales o de placebo. Una vez que completaron su análisis, los científicos que hicieron el "salazón" revelaron qué eventos eran falsos.
Una técnica similar fue utilizada por los científicos de LIGO, quienes eventualmente hicieron la primera detección de ondas extremadamente pequeñas en el espacio-tiempo llamadas ondas gravitacionales.
Encuestas astronómicas de altas apuestas
El taller de Análisis de Ciegos en KIPAC se centró en futuros estudios de cielo que harán mediciones sin precedentes de la energía oscura y el Fondo de Microondas Cósmico, observaciones que ayudarán a los cosmólogos a comprender mejor la evolución de nuestro universo.
Se cree que la energía oscura es una fuerza que está causando que el universo se expanda cada vez más rápido a medida que pasa el tiempo. El CMB es un tenue resplandor de microondas que se extiende por todo el cielo. Es la luz más antigua del universo, sobrante desde el momento en que el cosmos tenía solo 380,000 años.
Para arrojar luz sobre las misteriosas propiedades de la energía oscura, la Dark Energy Science Collaboration se está preparando para usar datos del Gran Telescopio Sinóptico de la Encuesta, que está en construcción en Chile. Con su exclusiva cámara de 3,2 gigapíxeles, LSST generará miles de millones de galaxias, cuya distribución se cree que está fuertemente influenciada por la energía oscura.
"El cegamiento nos ayudará a observar las propiedades de las galaxias escogidas para este análisis, independientemente de las conocidas implicaciones cosmológicas de los estudios anteriores", dice Krause, miembro de DESC. Una de las formas en que la colaboración planea cegar a sus miembros a este conocimiento previo es distorsionar las imágenes de las galaxias antes de que entren en el canal de análisis.
No todos en la comunidad científica están convencidos de que el cegamiento es necesario. Los análisis ciegos son más complicados de diseñar que los análisis no ciegos y requieren más tiempo para completarse. Algunos científicos que participan en análisis ciegos inevitablemente pasan tiempo mirando datos falsos, lo que puede parecer un desperdicio.
Sin embargo, otros abogan fuerte por quedarse ciegos. El investigador de KIPAC Aaron Roodman, un físico-partícipe convertido en astrofísico, ha estado usando métodos cegadores durante los últimos 20 años.
"Los análisis ciegos ya se han vuelto bastante estándar en el mundo de la física de partículas", dice. "También serán cruciales para tomar sesgos de las encuestas cosmológicas de próxima generación, particularmente cuando hay mucho en juego. Solo construiremos un LSST, por ejemplo, para proporcionarnos vistas sin precedentes del cielo ".
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Por Manuel Gnida, para Symmetry Magazine Mayo 16 de 2017
Los experimentos científicos están diseñados para determinar hechos sobre nuestro mundo. Pero en los análisis complicados, existe el riesgo de que los investigadores sesguen involuntariamente sus resultados para que coincidan con lo que esperaban encontrar. Para reducir o eliminar este posible sesgo, los científicos aplican un método conocido como "análisis ciego".
Es probable que los estudios ciegos se conozcan mejor a partir de su uso en ensayos clínicos con medicamentos, en los cuales los pacientes se mantienen a oscuras, o ciegos a ellos, si están recibiendo un fármaco real o un placebo. Este enfoque ayuda a los investigadores a juzgar si sus resultados se derivan del tratamiento en sí mismo o de la creencia de los pacientes de que lo están recibiendo.
Los físicos de partículas y los astrofísicos también hacen estudios ciegos. El enfoque es particularmente valioso cuando los científicos buscan efectos extremadamente pequeños escondidos entre el ruido de fondo que apuntan a la existencia de algo nuevo, no contabilizado en el modelo actual. Los ejemplos incluyen los descubrimientos muy publicitados del bosón de Higgs por experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN y de ondas gravitacionales por el detector Advanced LIGO.
"Los análisis científicos son procesos iterativos, en los que realizamos una serie de pequeños ajustes a los modelos teóricos hasta que los modelos describen con precisión los datos experimentales", dice Elisabeth Krause, postdoctorado en el Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas y Cosmología, que es operado conjuntamente por Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía. "En cada paso del análisis, existe el peligro de que los conocimientos previos guíen la forma en que hacemos los ajustes. Los análisis ciegos nos ayudan a tomar decisiones independientes y mejores ".
Krause fue el principal organizador de un taller reciente en KIPAC que analizó cómo los análisis ciegos podrían incorporarse a las encuestas astronómicas de próxima generación que tienen como objetivo determinar con mayor precisión que nunca de qué está hecho el universo y cómo sus componentes han impulsado la evolución cósmica.
Cajas negras y sal
Un resultado del taller fue el hallazgo de que no existe un enfoque único para todos, dice el postdoctoral KIPAC Kyle Story, uno de los organizadores del evento. "Los análisis ciegos deben diseñarse individualmente para cada experimento".
La forma en que se realiza el cegamiento debe dejar a los investigadores con suficiente información para permitir un análisis significativo, y depende del tipo de datos que provienen de un experimento específico.
Un enfoque común es basar el análisis en solo algunos de los datos, excluyendo la parte en la que se cree que se oculta una anomalía. Se dice que los datos excluidos están en una "caja negra" o "caja de señal oculta".
Busque la búsqueda del bosón de Higgs. Utilizando datos recolectados con el Gran Colisionador de Hadrones hasta el final de 2011, los investigadores vieron indicios de un golpe como un posible signo de una nueva partícula con una masa de aproximadamente 125 gigaselectronvoltios. Así que cuando miraron nuevos datos, deliberadamente pusieron en cuarentena el rango de masa alrededor de este golpe y se centraron en los datos restantes.
Usaron esa información para asegurarse de que estaban trabajando con un modelo suficientemente preciso. Luego "abrieron la caja" y aplicaron el mismo modelo a la región intacta. El golpe resultó ser la partícula de Higgs largamente buscada.
Eso funcionó bien para los investigadores de Higgs. Sin embargo, a medida que los científicos involucrados en el experimento de Xenón subterráneo grande informaron en el taller, el método de "cuadro negro" de análisis ciego puede causar problemas si los datos que no está mirando expresamente contienen eventos excepcionales cruciales para descifrar su modelo en el primer lugar.
LUX ha completado recientemente una de las búsquedas más sensibles del mundo para WIMP: partículas hipotéticas de materia oscura, una forma invisible de materia que es cinco veces más frecuente que la materia normal. Los científicos de LUX han trabajado mucho para proteger a LUX contra las partículas de fondo, construyendo el detector en una sala limpia, llenándolo con un líquido completamente purificado, rodeando con blindaje e instalándolo debajo de una milla de roca. Pero algunas partículas extraviadas lo hacen a pesar de todo, y los científicos necesitan ver todos sus datos para encontrarlos y eliminarlos.
Por esa razón, los investigadores de LUX eligieron un enfoque cegador diferente para sus análisis. En lugar de usar un "recuadro negro", usan un proceso llamado "salado".
Los científicos de LUX que no participaron en el análisis de LUX más reciente agregaron eventos falsos a las señales simuladas de datos que simplemente parecen reales. Al igual que los pacientes en una prueba de drogas ciega, los científicos de LUX no sabían si estaban analizando datos reales o de placebo. Una vez que completaron su análisis, los científicos que hicieron el "salazón" revelaron qué eventos eran falsos.
Una técnica similar fue utilizada por los científicos de LIGO, quienes eventualmente hicieron la primera detección de ondas extremadamente pequeñas en el espacio-tiempo llamadas ondas gravitacionales.
Encuestas astronómicas de altas apuestas
El taller de Análisis de Ciegos en KIPAC se centró en futuros estudios de cielo que harán mediciones sin precedentes de la energía oscura y el Fondo de Microondas Cósmico, observaciones que ayudarán a los cosmólogos a comprender mejor la evolución de nuestro universo.
Se cree que la energía oscura es una fuerza que está causando que el universo se expanda cada vez más rápido a medida que pasa el tiempo. El CMB es un tenue resplandor de microondas que se extiende por todo el cielo. Es la luz más antigua del universo, sobrante desde el momento en que el cosmos tenía solo 380,000 años.
Para arrojar luz sobre las misteriosas propiedades de la energía oscura, la Dark Energy Science Collaboration se está preparando para usar datos del Gran Telescopio Sinóptico de la Encuesta, que está en construcción en Chile. Con su exclusiva cámara de 3,2 gigapíxeles, LSST generará miles de millones de galaxias, cuya distribución se cree que está fuertemente influenciada por la energía oscura.
"El cegamiento nos ayudará a observar las propiedades de las galaxias escogidas para este análisis, independientemente de las conocidas implicaciones cosmológicas de los estudios anteriores", dice Krause, miembro de DESC. Una de las formas en que la colaboración planea cegar a sus miembros a este conocimiento previo es distorsionar las imágenes de las galaxias antes de que entren en el canal de análisis.
No todos en la comunidad científica están convencidos de que el cegamiento es necesario. Los análisis ciegos son más complicados de diseñar que los análisis no ciegos y requieren más tiempo para completarse. Algunos científicos que participan en análisis ciegos inevitablemente pasan tiempo mirando datos falsos, lo que puede parecer un desperdicio.
Sin embargo, otros abogan fuerte por quedarse ciegos. El investigador de KIPAC Aaron Roodman, un físico-partícipe convertido en astrofísico, ha estado usando métodos cegadores durante los últimos 20 años.
"Los análisis ciegos ya se han vuelto bastante estándar en el mundo de la física de partículas", dice. "También serán cruciales para tomar sesgos de las encuestas cosmológicas de próxima generación, particularmente cuando hay mucho en juego. Solo construiremos un LSST, por ejemplo, para proporcionarnos vistas sin precedentes del cielo ".
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