Upiór w OPERZE, nadświetlne neutrina i 10 lat wstydu

Pomyłki pozostają wpisane w codzienną pracę naukowca. Właśnie dlatego przed poinformowaniem świata o odkryciu wstrząsającym podstawami fizyki, lepiej raz jeszcze starannie sprawdzić każdy przecinek na tablicy i każdą śrubkę w aparaturze. Dla własnego dobra.

Był piątek, pierwszy dzień astronomicznej jesieni 2011 roku. W Genewie trwała konferencja podsumowująca trzyletni sezon badawczy w ramach eksperymentu OPERA (ang. Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus). Głównym tematem spotkania były pomiary wiązek neutrin, przesyłanych z CERN do oddalonego o 731 kilometrów włoskiego laboratorium INFN (wł. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare).

Nie było to jednak typowe nudne seminarium skierowane wyłącznie do wąskiej grupki specjalistów. W odczytanym komunikacie prasowym rzecznik zespołu badawczego miał poinformować media o zarejestrowaniu “anomalii w czasie lotu neutrin”.

Wyniki OPERY opierają się na obserwacji ponad 15 tysięcy zdarzeń z udziałem neutrin zmierzonych w Gran Sasso i wydają się wskazywać, że neutrina poruszają się z prędkością przekraczającą o 20 części na milion prędkość światła, kosmiczną granicę prędkości. Biorąc pod uwagę potencjalne dalekosiężne konsekwencje takiego wyniku, konieczne są niezależne pomiary, zanim efekt będzie można obalić lub potwierdzić. Właśnie dlatego OPERA postanowiła udostępnić wyniki do szerszej analizy.

Fragment komunikatu prasowego CERN/INFN

Przesyłane neutrina trafiły do detektora zainstalowanego pod masywem górskim Gran Sasso o 60 nanosekund szybciej niż powinny. Odrobinę szybciej niż mogłyby to zrobić fotony. Niepozorna, trudna do wychwycenia cząstka przebyła wyznaczoną trasę w tempie odpowiadającym ~1,0000248 prędkości światła w próżni. Tym samym, dokonała rzeczy niemożliwej, pogwałcając stuletnie postulaty teorii względności i wynikający z nich limit 299 792 km/s.

Schemat eksperymentu OPERA

Nawet niedoświadczony dziennikarz był w stanie wyłuskać z fachowego żargonu właściwy przekaz. Oto naukowcy trafili na coś, co zburzy jeden z filarów współczesnej nauki. Przedstawiciele obu placówek – Antonio Ereditato i Sergio Bertolucci – niby studzili emocje, ale jednocześnie dokładali do pieca, podkreślając w obecności podnieconych mediów, że “nie znaleźli żadnego instrumentalnego efektu, który mógłby wyjaśnić wynik pomiaru”, a potencjalne odkrycie “zmieni nasze poglądy na fizykę”.

W mediach zapanowała zrozumiała wrzawa. “Neutrina szybsze od światła!”, “Einstein się mylił?”, “OPERA zaprzecza teorii względności”, “CERN potwierdza neutrina szybsze od światła”, “Fizycy w szoku. Rozpędzone przez nich cząstki pobiły prędkość światła”, “Prędkość światła przekroczona”. To tylko niektóre spośród sterty sensacyjnych nagłówków, jakimi portale bombardowały znudzonych internautów. Z kolei przedstawiciele środowiska naukowego, przeciwnie, woleli zachować powściągliwość. Czasem sceptycyzm przybierał dość radykalne formy, jak w przypadku Jima Al-Khaliliego. Teoretyk z Uniwersytetu Surrey zapowiedział, że jeżeli sensacyjne wyniki zostaną potwierdzone, publicznie zje własne bokserki.

Prędkość światła pokonana?

Siadając do tego tekstu usiłowałem sobie przypomnieć, jak sam zareagowałem na tamte wydarzenia. Co prawda, Kwantowo zostało uruchomione dopiero w następnym roku, ale już wcześniej zdarzało mi się publikować komentarze w innych miejscach. Z ciekawości przekopałem więc pradawne warstwy internetu, docierając w końcu do własnych forumowych spostrzeżeń:

Co teraz mamy? Grupkę naukowców, którzy powtórzyli to samo doświadczenie, w analogicznych warunkach i na tym samym sprzęcie. Ryzyko błędu wciąż jest ogromne. Większość sceptyków upatruje najprostszego wyjaśnienia – niedokładności pomiaru i źle skalibrowanego sprzętu. Sprawdzenia sensacji pod tym kątem mają zamiar podjąć się Amerykanie. Wiązka neutrin zostanie wystrzelona przez Fermilab do kopalni Soudan w północnej Minnesocie. Jednak nawet powtórzenie wyniku nie usunie wszystkich wątpliwości. Już teraz głos podnoszą astrofizycy zdający się całkowicie niewzruszeni OPERĄ. Stwierdzają oni bez ogródek, że w Genewie musiał nastąpić błąd, gdyż wyniki są sprzeczne z tym co obserwujemy w przyrodzie. Wszechświat jest pełen neutrin emitowanych przez supernowe i gwiazdy, w tym nasze Słońce. Naukowców zastanawia, że nigdy nie zarejestrowali niczego co zaprzeczyłoby szczególnej teorii względności.

Adam z 2011 roku

Nieufność wobec rzekomego odkrycia mogła wydawać się przesadą lub objawem twardogłowia, ale miała swoje uzasadnienie. Każdy mający jako takie obycie w temacie zdawał sobie sprawę, że teoria względności w obu wariantach – szczególnym i ogólnym – po prostu działa. Jest logicznym, spójnym wyjaśnieniem całego spektrum zjawisk, które przeszło przez sito tysiąca testów. Pomiar dokonany w Gran Sasso byłby zatem dla fizyki relatywistycznej w całej jej okazałości, tym samym, czym Little Boy był dla Hiroszimy.

Neutrina szybsze od światła

Nie oznacza to oczywiście, że teoria względności jest nie do ruszenia. Każda, choćby najlepiej udokumentowana koncepcja podlega nieustannemu hartowaniu i nawet po stu latach nowe fakty mogą doprowadzić do jej przeformułowania lub obalenia. Jednakże, fizycy opowiadający z zapałem o nadświetlnych neutrinach, zapomnieli o podstawowej zasadzie dotyczącej badań, skondensowanej kiedyś przez Carla Sagana do krótkiego zdania:

Nadzwyczajne twierdzenia, wymagają nadzwyczajnych dowodów.

Carl Sagan

Oznacza to tyle, że do wzniecenia naukowej rewolucji, potrzebujemy czegoś więcej od pojedynczej anomalii, dotyczącej słabo poznanej cząstki, uchwyconej w jednym detektorze. Taka poszlaka wymaga dalszych, niesłychanie rygorystycznych testów, a dopóki do takowych nie dojdzie – należy przezornie założyć, że rozwiązanie zagadki tkwi gdzieś w eksperymencie.

Właśnie tak było w przypadku OPERY. W ciągu kilku miesięcy branżowe czasopisma zalały artykuły wyliczające potencjalne błędy doświadczalników, jak również teoretyczne powody, dla których pomiary nie mają prawa być poprawne[1]. Wreszcie, w lutym 2012 roku inżynierowie INFN zakończyli szczegółowe oględziny sprzętu i zlokalizowali prawdziwe źródło problemu. Jak żenująco to by nie brzmiało, był nim… nieprawidłowo podpięty kabel. O techniczne szczegóły tego blamażu, jakiś czas temu miałem okazję zapytać specjalistę od zaawansowanej aparatury badawczej, Grzegorza Kasprowicza.

Wobec wątpliwości w pomiarze propagacji neutrin, zaczęto sprawdzać wszystkie fragmenty toru pomiarowego. Pamiętajmy, że eksperyment jest umieszczony głęboko pod ziemią, natomiast czas atomowy z GPS‑a mamy na powierzchni. Przy przesyłaniu impulsów synchronizujących na większe odległości trochę rzeczy może pójść źle. (…) W końcu okazało się, że niedokręcone złącze spowodowało, iż wkradła się rezystancja, która razem z pojemnością kabla wprowadziła opóźnienie ułamka mikrosekundy. (…)

Sam kabel łączący odbiornik GPS z eksperymentem wprowadzał opóźnienie wielokrotnie większe niż te 60 ns. 1 metr kabla to około 8 ns opóźnienia. Tak więc o błąd jest łatwo.

dr Grzegorz Kasprowicz, CreoTech

Niedługo później badacze skupieni wokół analogicznego eksperymentu ICARUS opublikowali wyniki własnych pomiarów. Zgodnie z nimi neutrina poruszały się przewidywalnie, ciut wolniej od światła. Po naprawieniu usterki technicznej (i ścięciu kilku głów)[2], potwierdzili to również koledzy z OPERY. Prawa natury wróciły na swoje miejsce.

Są tacy, którzy uważają, że nic się nie stało. Z punktu widzenia nauki rzeczywiście obyło się bez poważniejszych strat. Ktoś zgłosił anomalię, inni sprawdzili możliwe wyjaśnienia i w końcu wykryto błąd. Trudno, zdarza się.

Zdecydowanie bardziej negatywny okazał się społeczny wymiar sprawy. Kiedy decydujesz się na ogłoszenie światu, że chyba obaliłeś jedną z najważniejszych teorii naukowych XX wieku, ale sprawa nie jest jasna i wymaga dalszego sprawdzenia – musisz być gotowy na to, że media i zwykli obywatele zapamiętają tylko pierwszą część zdania. Co więcej, jeżeli za miesiąc zwołasz drugą konferencję i odwołasz swoje wnioski, nie będzie to już nikogo interesowało.

W efekcie echo eksperymentu OPERA pobrzmiewa do chwili obecnej. Nawet po upływie dziesięciu lat, można gdzieniegdzie trafić na komentarze osób święcie przekonanych, że postulat o nieprzekraczalności prędkości światła został doświadczalnie obalony.

Nadświetlne neutrina

Nic dziwnego. Sensacyjne nagłówki widzieli niemal wszyscy, na weryfikację czekała tylko garstka.

Literatura uzupełniająca:
Komunikat prasowy OPERA experiment reports anomaly in flight time of neutrinos from CERN to Gran Sasso, [online: home.cern/news/press-release/cern/opera-experiment-reports-anomaly-flight-time-neutrinos-cern-gran-sasso]
G. Brumfiel, Neutrinos not faster than light, “Nature”, [online: nature.com/articles/nature.2012.10249];
G. De Lellis, G. Galati, The major achievements of the OPERA experiment and its legacy, “World Scientific”, [online: worldscientific.com/doi/abs/10.1142/S0217732321300044];
J. Pivarski, We can get there from here, [online: coffeeshopphysics.com/articles/2011-09/23_we_can_get_there_from_here].
[+]
7 ciekawych faktów o Projekcie Manhattan Deszcz, hałas i taniec. 7 naprawdę alternatywnych źródeł energii Życie pozaziemskie (nie) musi istnieć!