实验数据相对应的物理结果

本节序

在本节中,我会整理一下从实验数据出发,给出WIMP在\small{\sigma\text{-}m}二维参数空间的Contour分布或排除线的结果的统计学理论框架,其实核心就是假设检验。通过这一节对于暗物质探测实验这一具体例子中,可以了解假设检验的一些重要内容。

问题归类与基本概念对应

从假设检验的角度出发

对于“暗物质探测”这个实验,如果我们关心的是描述暗物质粒子性质的某些物理量,那么就属于参数假设检验的范畴了。而不同的物理目标要求我们采取的假设检验思路也是不同的:

物理目标 原假设\small{H_0} 备择假设\small{H_1} 数据分析结果
发现(新)事例信号 只有本底 事例 + 本底 (新)事例的Contour范围
限制物理参数 事例 + 本底 只有本底 物理参数的排除线

对于“限制物理参数”的目标而言,排除线(Exclusion Curve)所排除的参数空间区域用统计学的术语来讲就是拒绝域(拒绝\small{H_0}时样本观测值所在区域,它是样本空间的一个子集),而排除线这些拒绝域的临界值集合
具体来讲,对于给定质量\small{m_\chi}散射截面\small{\sigma}的WIMP模型,我们的观测物理量为WIMP事例数\small{N_{obs}}
的拒绝域\small{W}和接收域\small{\overline{W}}分别为\small{W = \{ \sigma \geqslant \sigma_c(m_\chi) \},\quad \overline{W}=\{ \sigma < \sigma_c( m_{\chi} ) \} } 其中\small{\sigma_c(m_\chi)}就是临界值。

根据中的推导分析,散射截面\small{\sigma}服从的分布依赖于如下关系式:\small{}

显著性水平与p值

在给定显著水平下,不是拒绝原假设,就是保留原假设。然而

从区间估计的角度出发

参考文献

[1] G. Cowan et al., Asymptotic formulae for likelihood-based tests of new physics, arXiv:1007.1727v3
[2] https://arxiv.org/pdf/astro-ph/0106555.pdf

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