البيانات تهدد بكسر الفيزياء

ماذا تفعل لعالم عاقل مع نتيجة مستحيلة؟

يصر أنطونيو إيريدتو على إجراء المقابلة معه على سكايب ، وتشغيل الكاميرتين. هذا رجل أكبر قليلاً من منتصف العمر ، شعر بشعر رمادي محاط بعيون عريضة وذقن محفور. يبتسم بسهولة ، وتجذب عينيه الانتباه ، مثل ضوء الكشاف. تضيف اللهجة الإيطالية حروفًا إضافية في نهاية الكلمات المنطوقة.

نتحدث قبل 15 دقيقة من موافقته على إجراء مقابلة مسجلة. يقول إنه لا يريد تشجيع الصحفيين الذين يمكنهم تشويه كلماته وإنتاج قصة مثيرة وغير موثوقة. وافق على التحدث معي على سكايب لأنني لست صحفيًا ، بل فيزيائي وفي الوقت نفسه مؤلف أمضى 13 عامًا في خنادق فيزياء الجسيمات التجريبية. في النهاية يقول: "حسنًا ، لقد نظرت في عينيك ، أنا أثق بك. ربما هذه مشكلتي. قد أكون واثقًا جدًا ، لكني أثق بك. " يضحك ويتكئ على كرسي ، ومد ذراعيه إلى الجانبين.

Eredito هو الزعيم السابق لـ 160 فيزيائي من 13 دولة يشكلون تعاون OPERA ، المصمم لدراسة فيزياء النيوترينو. تم اقتراحه لأول مرة في عام 2000 ، وأدارته Eredato من عام 2008 إلى عام 2012. ثم في شتاء عام 2011 ، بدا شيء مستحيل الحدوث. "اتصل بي الشخص الذي درس البيانات" ، أخبرني Eredato من شاشة الكمبيوتر. - يقول: "أرى شيئًا غريبًا هنا". لقد رأى دليلاً على أن النيوترينوات مرت عبر 730 كم من قشرة الأرض ، من سويسرا إلى إيطاليا - ويجب أن يفعلوا ذلك - بسرعة عالية تصل إلى وجهتها بسرعة 60.7 نانوثانية أسرع مما يمكن للضوء أن يسافر مثل هذه المسافة في الفضاء - الذي لا ينبغي أن يكون.



على مدار المائة عام الماضية من ملاحظة آينشتاين ، والتي بموجبها لا يمكن للأجسام الضخمة أن تتحرك أسرع من سرعة الضوء في الفراغ ، والمدمجة في نظريته النسبية الخاصة ، أصبحت حجر الزاوية في فهمنا للكون. إذا كانت قياسات OPERA صحيحة ، فإنها ستشير إلى الانتهاك الأول لهذه النظرية. ستكون قنبلة ذرية في صميم فهمنا للكون.

أسأل إيرداتو إذا كان يعتقد أن هذا يجب أن يكون خطأ. قال لي "لا أعتقد أنه سيكون من الصادق أن أقول ذلك". "إذا جاز التعبير ، سوف نحرف تحليلنا". لذلك عندما تلقينا تلميحًا بشيء مذهل للغاية ، كان رد الفعل الأول: دعنا نكتشف سبب ذلك. "

افترض فولفجانج باولي وجود النيوترينوات في عام 1930 لحل مشكلة بسيطة. عندما تعاني النوى من اضمحلال بيتا من خلال انبعاث إلكترون أو بوزيترون ، أي ما يعادل إلكترون من المادة المضادة ، هناك شيء مفقود. إما أن يصدر شيء غير مرئي مع الإلكترون / البوزيترون ، أو تختفي الطاقة. نظرًا لعدم وجود تجربة قابلة للتكرار حيث طار أي شيء أو سقط أو تحرك أو اصطدم أو تحلل أو لم يتغير ، لم يتم الكشف عن اختفاء الطاقة ، اقترح باولي نيوترينو ، جسيم غير مرئي ، مع جميع الخصائص اللازمة لإحداث تسوس بيتا وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية. من خلال عدم وضوح الجسيمات ، أعني أنه عندما تمر النيوترينوات عبر المادة ، نادرًا ما تترك أثرًا. من النادر جدًا أن يستغرق الأمر ما يقرب من 30 عامًا للعثور على دليل مادي على وجودهم في تجربة (أجراها فريدريك رينز وكلايد كوان ).

اليوم ، النيوترينوات هي جزء لا يتجزأ من الجدول الدوري للنموذج القياسي في فيزياء الجسيمات. ستجد هنا الجسيمات التي تتكون منها المادة ، مدرجة في أزواج وتنقسم إلى ثلاث فئات: يتم إقران النيوترينونات الإلكترونية مع الإلكترونات ، والنيوترونات الميونية تقترن بالميونات ، والنيوترينو تاو هي نفسها تمامًا مع تاو. يمكن أن تتحول النيوترينوات من نوع إلى آخر. على سبيل المثال ، يمكن أن يتأرجح نيوترينو إلكتروني إلى ميون ، ويمكن أن يتحول الميون إلى تاو. يقول لي إريداتو: "إن تذبذبات النيوترينو هي أولى علامات الفيزياء خارج النموذج القياسي". ويضحك قائلاً: "لهذا السبب أحب النيوترينوات".

الأمر الذي يعيدنا إلى تجربة OPERA. مع فكرته ، كان هناك بالفعل الكثير من الأدلة على تذبذبات النيوترينو ، لكن جميعها جاءت من تجارب الاختفاء. أي أن الدليل كان على اختفاء الإلكترون أو المايون نيوترينو. كانت التجارب مع المظهر مطلوبة - كان هذا هدف OPERA. كانت الفكرة هي أن المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية في جنيف (CERN) سوف تخلق شعاعًا من النيوترينات الميونية تهدف إلى كاشف مدفون عميقًا تحت سلسلة الجبال الإيطالية من جران ساسو ديتاليا ، على بعد 730 كم من المصدر. إذا تم الكشف عن النيوترينو تاو هناك ، ثم تحدث تذبذبات النيوترينو. وفقًا لتقليد خبراء فيزياء الجسيمات لإعطاء اختصارات براقة للتجارب ، أصبح المشروع معروفًا باسم OPERA (مشروع التذبذب مع جهاز تتبع المستحلب) [مشروع لدراسة التذبذبات باستخدام جهاز تتبع المستحلب].

لم يتم ذكر قياس سرعة النيوترينو أثناء سفرهم من CNGS (CERN Neutrinos إلى Gran Sasso) [Neutrino من CERN إلى Gran Sasso] إلى كاشف OPERA في الاقتراح. ولكن في فبراير 2011 ، ركز مشروع OPERA بشكل كامل تقريبًا على ذلك.


كاشف OPERA يستخدم الآلاف من طوب أفلام التصوير الفوتوغرافي

يقول إريداتو: "أعتقد ، مثل أي عالم ، منذ البداية أنني كنت متشككًا جدًا." "أنت تصنع قائمة بالشيكات: مؤقت ، جهاز استقبال ، نظام تحديد المواقع ، جهاز إرسال من جهاز الاستقبال إلى الكاشف ... تحقق من كل شيء". تم رفض بعض الخيارات بسرعة كبيرة ، والبعض الآخر كان يستغرق وقتًا طويلاً. لم تتمكن من إيقاف التجارب في CERN. وفي الوقت نفسه ، طارد Eredato فريقه بشدة. " لا يمكنك أن تتخيل كيف عملت مع زملائي في ذلك الوقت - تحقق من ذلك ، تحقق منه ، افعله ، افعله ، كرر ، كرر مرة أخرى - قمنا بذلك من الربيع حتى 23 سبتمبر! "

قام الفريق بفحص وتجربة جميع خيارات البرامج والأجهزة والنظريات التي يمكنهم التوصل إليها ، في كل خطوة ، كل خطأ ثابت ، كل جزء من المعرفة المكتسبة ، دليل على أن النيوترينوات تتحرك بشكل أسرع من الضوء وقفت بثبات على التجربة بأكملها. ثم حدث ما لا مفر منه وتسربت أنباء عن البيانات. بدأ الأشخاص الذين لم يشاركوا في التجربة في إثارة شائعات حول انتهاك نظرية النسبية ، حول نتيجة من شأنها أن تصدم أساسيات الفيزياء بطريقة لم تهتز منذ عام 1900 ، عندما اكتشف ماكس بلانك فيزياء الكم. تقول لي إريداتو إن الشائعات "تنتشر بسرعة الضوء".

"ثم ماذا يحدث؟" قررت أن تأخذ مكان الفصل الخاص بالعلاقات العامة. ماذا تقول: لا تعليق؟ ولكن بعد ذلك سوف يلومك الجميع ، سيقول جميع الصحفيين: "آه ، لذلك أنت تخفي شيئا. نريد أن نعرف ما يجري. نحن ندفع الضرائب وندعمك ، من حقنا أن نعرف "أو تدلي ببيان". يقول بصوت مشؤوم: "لقد اكتشفت نيوتريونات فائقة الضوء."

في هذه الحالة ، لم يكن Eredato هو الذي قرر كل شيء. لدى المجموعات التجريبية الكبيرة مثل OPERA تعليمات لمعالجة النتائج المثيرة للجدل والتصويت لإعلان النتائج للجمهور. فقط عدد قليل من الناس صوتوا ضد الإعلان. "وأنا أحترمهم كثيرًا ، وفي النهاية كانوا على حق ، ولهذا السبب يحترمونهم."

نشرت أوبيرا النتائج في 23 سبتمبر 2011 في ورشة عمل CERN خاصة. لم يزعم الفريق أنه اكتشف انتهاكًا لنظرية النسبية. بدلاً من ذلك ، تم استخدام عبارات مثل "أدلة" أو "اكتشاف" ، وكانت البيانات تسمى "شذوذ". لكن هذه الفروق الدقيقة الرئيسية فقدت في الإحساس بالتفاعل البشري. على الرغم من أن العنوان الذي نشرته صحيفة نيويورك تايمز تضمن فقرة: "ربما تكون النيوترينوهات الصغيرة قد تجاوزت الحد الأقصى للسرعة الكونية" ، إلا أنها لم تكن في مقال في صحيفة الديلي تلغراف ("علماء CERN يكسرون سرعة الضوء") أو الجارديان ("يدعي العلماء اكتشاف الجسيمات التي تتحرك أسرع من الضوء") ، أو في مجلة Scientific American ("الجسيمات التي تتحرك أسرع من الضوء تم اكتشافها").

أخذ المجتمع المادي الأخبار بالتشكيك ، وحتى السخرية. لم يكن هناك فيزيائي محترف ممارس مستعدًا للتخلي عن STO ، تمامًا مثل Wolfgang Pauli لم يكن مستعدًا للتخلي عن قانون الحفاظ على الطاقة في الثلاثينيات. لكن مع ذلك ، ماذا لو؟ منذ تأكيد العقائد الرئيسية للنموذج القياسي في تجارب UA1 و UA2 في CERN في عام 1983 ، أضاف كل اكتشاف في فيزياء الجسيمات (باستثناء تذبذبات النيوترينو) علامة واحدة إضافية إلى مربع هذا النموذج القياسي المقدس المزعج. كيف يمكن لفيزيائيي الجسيمات مقاومة الإغراء على أمل أن أي شيء ، أي شيء ، يمكن أن ينفجر هذه المنطقة خلال حياتهم؟

حتى Eredato كان يأمل قليلاً. "تذهب إلى المنصة في مؤتمر علمي ، في ندوة ، وتقول: يا شباب ، لدي شيء هنا لا أفهمه. الرجاء مساعدتنا في فهم هذا. " يتوقف ويومئ إلى نفسه أكثر مني. "أعتقد أن هذا خيار جيد ومتواضع. وبشكل عام ، حلم الجميع أننا كنا على حق. هذا كل شيء. "

تقع الفيزياء الخارقة الملحمية في اتجاه واحد ، والعار المحتمل في الاتجاه الآخر. هل يجب أن تنتظر أوبرا؟ كم شهرًا آخر يمكنك تحليل النتيجة وإعادة تحليلها؟ يميل إلي ، مشيرًا إلي من خلال الكاميرا ، ويشرح لماذا لا يستطيع العالم تجاهل البعد ، حتى لو كان يبدو سخيفًا. "هذا لا يمكن أن يقتل. الطبيعة لا تتحدث إلينا من خلال النظريات ، ولكن من خلال النتائج التجريبية. أسوأ البيانات أفضل من أفضل نظرية. إذا كنت تبحث عن نتائج معقولة ، فلن تقوم باكتشافات أبدًا ، أو على الأقل لا تقوم باكتشافات غير متوقعة. يمكنك أن تجعل - الاكتشافات المتضاربة - الاكتشاف المتوقع ".

شيء واحد واضح: الإعلان قدم أوبرا بالمساعدة التي تأمل. بعد بضعة أيام ، وبمساعدة مشغلي حزم CNGS ، بدأوا في تطوير نهج جديد للقياسات. في التحليل الأصلي ، كان من الضروري استخدام تقنية إحصائية لتحديد وقت وصول النيوترينو ، حيث اختلفت الحزمة. كان النهج الجديد هو توليد النيوترينوات على دفعات كثيفة حتى يصلوا إلى الكاشف معًا ، بحيث يكون تحديد وقت وصولهم أسهل بكثير.

استغرق الأمر شهرين لإعادة تكوين شعاع النيوترينو ، وإكمال التجربة ، وتحليل النتائج - بسرعة غير مسبوقة لمثل هذه التجربة المعقدة.

ولم تذهب قياسات زيادة سرعة الضوء إلى أي مكان. يقول إريداتو: "ثم كنت خائفة". - قلت: "يا إلهي". وليس أنا فقط ، كثير من الناس الذين انتقدوا هذا بشدة ، لم أستطع قول أي شيء في مواجهة هذه النتيجة ".


عالم يفحص كاشف OPERA في مختبر Gran Sasso الوطني

تتكون تجارب فيزياء الجسيمات من كواشف معقدة بحجم المنزل ومسرعات الجسيمات. يبدأ التطوير والبناء سنوات عديدة قبل الحصول على النتائج الأولى. في الوقت الذي يعمل فيه الكاشف والمصادم بالفعل ، يقوم المجربون بتطوير برنامج لتحليل وغربلة البيانات ، وفصل الإشارة والضوضاء ، النادرة والغريبة عن المعتاد والممل ، الموسيقى عن الضوضاء. يستخدمون نسختهم من التحليل الأعمى ، على غرار اختبار التعمية المزدوج في الطب الحيوي ، والذي يتطلب "صندوق مغلق مع إشارة". بدلاً من اختبار تقنياتهم على بيانات حقيقية ، يقومون باختبارها على بيانات محاكاة مصممة لإعادة إنتاج استجابة معدات الكاشف للعمليات المعروفة. ونتيجة لذلك ، عندما "يفتحون الصندوق" ، لا يجب أن تشوه قياساتهم بسبب رغبة واعية أو غير واعية في اكتشاف.

ومع ذلك ، ظلت البيانات OPERA النيوترينو أسرع من الضوء في مكانه. كانت الخطوة التالية هي الحصول على تأكيد مستقل من مصدر خارج OPERA ، كما هو معتاد. على سبيل المثال ، لوحظ جسيم هيجز في كل من تجارب ATLAS و CMS. ولكن لم تكن هناك تجارب أخرى يمكن أن تؤكد أو تدحض ما كان يحدث في OPERA لعدة سنوات على الأقل. ومع ذلك ، على أساس Gran Sasso ، كانت هناك تجربة أخرى ، كاشف الحجم الكبير (LVD) ، والتي ، على الأقل ، يمكنها التحقق من نظام الوقت على OPERA. كانت الفكرة هي التأكد من أن ساعات كلتا التجربتين كانت متزامنة من خلال مقارنة أوقات وصول الأشعة الكونية من الميونات في كلا الكاشفين.

يقول لي إريداتو: "لقد كانت تجربة رائعة حقًا". بالنظر إلى البيانات التي تم الحصول عليها في OPERA على مدى خمس سنوات ، وجد الباحثون الفترة التي عمل فيها قياس الوقت في OPERA مع تحول قدره 73 ns. ثم تم اكتشاف خطأ آخر في المؤقت أثر على التجربة مع الحزمة المكثفة: لم يتم مزامنة تردد الساعة على OPERA مع تردد الحزم. تم تعويض مزيج من هاتين المشكلتين تمامًا عن 60 ns من الرصاص التي تم تسجيلها عند وصول النيوترينات الميونية مع CNGS.

كان مصدر مشاكل المؤقت هو كابل الألياف الضوئية الذي ينقل إشارات الوقت GPS من سطح Gran Sasso إلى عمق 8.3 كم ، حيث يوجد كاشف OPERA. كان للكابل مشكلتان صعبتان: أولاً ، كان الاتصال ضعيفًا ، بحيث يمكن للمرء أن يتوقع أن لا يتلقى جهاز الاستقبال إشارات منه على الإطلاق. إذا رأى المتلقي الضوء ، يجب أن يبدأ سباق النيوترينو إلى الكاشف. إذا لم ير جهاز الاستقبال الضوء ، فلن يكون هناك أي بداية. ولكن نتيجة لذلك ، تحول كل شيء بشكل خاطئ. بدلاً من ذلك ، احتاج جهاز الاستقبال هذا إلى حوالي 73 نانوثانية للحصول على طاقة ضوئية كافية لبدء تشغيل النيوترينو وتفعيل الإلكترونيات. ونتيجة لذلك ، شكلت الإلكترونيات بداية النيوترينو 73 ns بعد أن غادرت بالفعل خط البداية في CERN. "أتوقع أن تكون الإشارة موجودة أم لا. يقول إيرداتو: "لا توجد إشارات متأخرة". ثانيًا ، يبدو أن موصل الكبل قد تم إزالته. يقول إيريداتو: "تم توصيل الكابل بشكل طبيعي قبل أسبوع تقريبًا من بدء جمع البيانات ، وكان يتم توصيله بشكل طبيعي عندما قمنا بفحص كل شيء مرة أخرى". "المعنى هو أنه بين هذه الأحداث ، عندما جمعنا بيانات عن سرعة النيوترينو ، كان الكابل عالقًا بطريقة ما."

بعد العثور على الأخطاء وتصحيحها ، تعد قياسات سرعة النيوترينو على OPERA هي الأكثر دقة في العالم. وهي تتطابق تمامًا مع آينشتاين SRT. تلاشى الأمل الضعيف لفيزياء جديدة لم يتنبأ بها النموذج القياسي المبجل. لكن عمل فريق OPERA ، الذي وجد الكبل السائب الوحيد بين آلاف القنوات الكهربائية للمعدات التجريبية ، كان مذهلاً. يقول لي إريداتو: "أنا فخور". - سأكون صادقا ، اعتقدت دائما أنه سيكون هناك حل بين الظواهر الغريبة. الآثار الجانبية ، بحيث لا يفكر فيها أحد. "لم أكن لأفكر أبدًا في شيء مثل الكابل ، أبدًا." كما أن التعاون لم يبالغ في البيانات ، ولم يدل ببيانات غير مدعومة. لم يدلوا بأي تصريحات على الإطلاق ، وأجروا التحقيق بالتعاون الوثيق مع فرق أخرى.

ومع ذلك ، كان من الواضح أن شخصًا ما قد أخطأ في مكان ما. ربما كان الشخص الذي قام بتوصيل الكابل ، أو الذي صمم جهاز الاستقبال ، أو شخص آخر. في مارس 2012 ، عندما خمد الغبار ، أجرى تعاون OPERA تصويتًا آخر لتحديد ما إذا كان المشاركون واثقون من قادة المشروع. لكل منظمة مشاركة في المشروع صوت واحد. انتهى التصويت بنتيجة 16 مقابل 13 لصالح التعبير عن عدم الثقة ، امتنع العديد من الناخبين عن التصويت. كان هذا أبعد ما يكون عن 2/3 المطلوب من الأصوات التي تعتبر أغلبية وعزل القيادة ، لكنها كافية لجعل الرسالة مسموعة. استقال زعيم أوبرا إيريداتو ومنسقة التجارب داريا أوتيرو.

نص خطاب استقالة إيريداتو بوضوح على أنه سيغادر لمصلحة الفريق: "نتيجة لاهتمام كبير من وسائل الإعلام ، كان تعاون أوبرا تحت ضغط غير عادي ، وبمعنى ما ، تغير الضغط. ويتسرب الضغط الخارجي بسرعة إلى النظام الاجتماعي لـ 150 شخصًا ، مما يؤدي إلى نتائج خطيرة محتملة ، إلى خطر فقدان الرؤية للأهداف العلمية. هذا خطر كبير. من أجل تجنب هذا الخطر ، يجب التضحية بآراء الأفراد ".

هل فعل Eredato أي شيء سيئ؟ الناس مخطئون. لقد أمضيت 13 عامًا في العمل في التجارب في SLAC ، و Fermilab ، وجامعة كورنيل ، و CERN ، وحتى في المبرد الفائق الموصل منذ فترة طويلة. ربما يمكنني أن أسامح الأخطاء بسهولة أكبر من الأشخاص الذين لم يضطروا أبدًا إلى الزحف حول الخادم والاتصال وتوصيل الأسلاك. تفشل الموصلات بسبب مجموعة من الأسباب ، وإذا كان هناك الآلاف من القنوات ، فيمكننا القول بثقة أنه لم تمر تجربة علمية واحدة دون فشل زوجين من الموصلات. عادةً ما يسهل العثور عليها ، ولكن ليس هذه المرة. يقول البعض أنه كان ينبغي على OPERA إجراء المزيد من عمليات التحقق ، ولكن بحلول الوقت الذي تم فيه التصويت على سحب الثقة ، كان عام كامل قد مر بالفعل. كم عدد الشهور التي احتاجوا للقيام بذلك؟ هل يجب إجبار ولائهم لمحطة الخدمة على الانتظار حتى يتم العثور على المشكلة؟ لا ، سيتبعون المفهوم العبثي الذي يجب على العلماء اتباع عقيدة علمية معينة.

ربما تظهر خيبة الأمل التي عبرت عنها نتائج التصويت مدى رغبة العلماء ، وخاصة المجربين ، في العثور على شيء جديد ، وشيء لا يمكن التنبؤ به ، ومدى غضبهم عندما تختفي هذه الفرصة.

طلبت من Eredato تقييم التجربة الكاملة المكتسبة. أجاب: "المجتمع يحب تقسيم كل شيء إلى أبيض وأسود".لكن في العلوم ، الإجابات ليست واضحة دائمًا. "نحن بحاجة إلى توخي الحذر ، لأنه إذا خلقنا انطباعًا بأن العلم لا يقول" نعم "أو" لا "، يقول دائمًا" ربما "، عندها سيقول الناس" حسنًا ، فلا داعي للثقة في العلم ". إن مسألة توصيل هذه الرسالة حساسة للغاية ". معظم الصحفيين الذين يكتبون عن العلم ليسوا علماء. "إنهم يعاملون المعلومات العلمية وكذلك عمليات القتل أو الاختطاف". بخصوص دوره شخصيا؟ "تعلمت أننا جميعا نقوم بدورنا في هذا المجال."

— , . OPERA, , -. .

— , , , . - « , — : , , , , , » [The Left Brain Speaks, but the Right Brain Laughs: an irreverent (but accurate!) look at the neuroscience of talent & skill, innovation & discovery, and art & science] 2015 .