Daten, die die Physik zu brechen drohen

Was tun mit einem rationalen Wissenschaftler mit einem unmöglichen Ergebnis?

Antonio Eredito besteht darauf, dass das Interview mit ihm über Skype geführt wird und dass beide Kameras eingeschaltet sind. Dies ist ein Mann, der etwas älter als das mittlere Alter ist, Haare mit grauem Haar, umrahmt von großen Augen und einem gemeißelten Kinn. Er lächelt leicht und seine Augen ziehen die Aufmerksamkeit auf sich, wie das Licht eines Suchscheinwerfers. Der italienische Akzent fügt am Ende der gesprochenen Wörter zusätzliche Vokale hinzu.

Wir unterhalten uns 15 Minuten, bevor er sich bereit erklärt, ein aufgezeichnetes Interview zu geben. Er sagt, dass er keine Journalisten ermutigen will, die seine Worte verzerren und eine sensationelle und unzuverlässige Geschichte produzieren können. Er erklärte sich bereit, mit mir über Skype zu sprechen, da ich kein Journalist, sondern ein Physiker und gleichzeitig ein Autor bin, der 13 Jahre in den Gräben der experimentellen Teilchenphysik verbracht hat. Am Ende sagt er: „Okay, ich habe in deine Augen geschaut, ich vertraue dir. Vielleicht ist das mein Problem. Ich mag zu vertrauensselig sein, aber ich vertraue dir. “ Er lacht, lehnt sich in einem Stuhl zurück und streckt die Arme zur Seite.

Eredito ist der frühere Leiter von 160 Physikern aus 13 Ländern, aus denen sich die OPERA-Zusammenarbeit zusammensetzt, um Neutrinophysik zu studieren. Es wurde erstmals vorgeschlagen, im Jahr 2000 zusammengebaut zu werden, und Eredato schaffte es von 2008 bis 2012. Dann schien im Winter 2011 etwas Unmögliches zu passieren. "Die Person, die die Daten studiert hat, ruft mich an", sagt Eredato von meinem Computerbildschirm aus. - Er sagt: "Ich sehe hier etwas Seltsames." Er sah Beweise dafür, dass Neutrinos 730 km der Erdkruste von der Schweiz nach Italien durchquerten - und das sollten sie auch - mit einer so hohen Geschwindigkeit, dass sie 60,7 ns schneller an ihrem Ziel ankamen, als Licht eine solche Strecke zurücklegen konnte Raum - was nicht sein sollte.



In den letzten hundert Jahren von Einsteins Beobachtung, nach denen sich massive Objekte nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum bewegen können, das in seine spezielle Relativitätstheorie eingebaut ist, sind sie zum Eckpfeiler unseres Verständnisses des Universums geworden. Wenn die OPERA-Messungen korrekt wären, würden sie den ersten Verstoß gegen diese Theorie darstellen. Es wäre eine Atombombe im Herzen unseres Verständnisses des Universums.

Ich frage Eredato, ob er dachte, dass dies ein Fehler sein sollte. "Ich glaube nicht, dass es ehrlich wäre, das zu sagen", sagt er mir. "Wir werden sozusagen unsere Analyse verzerren." Als wir einen Hinweis auf etwas so Erstaunliches bekamen, war die erste Reaktion: Lassen Sie uns herausfinden, warum das so ist. “

Wolfgang Pauli postulierte 1930 die Existenz von Neutrinos, um ein einfaches Problem zu lösen. Wenn Kerne einen Beta-Zerfall erfahren, indem sie ein Elektron oder Positron emittieren, das einem Elektron aus Antimaterie entspricht, fehlt etwas. Entweder wird etwas Unsichtbares mit dem Elektron / Positron emittiert oder die Energie verschwindet. Da in keinem reproduzierbaren Experiment, in dem etwas flog, fiel, sich bewegte, kollidierte, zerfiel oder sich nicht änderte, kein Verschwinden der Energie festgestellt wurde, schlug Pauli ein Neutrino vor, ein unsichtbares Teilchen mit allen Eigenschaften, die für den Beta-Zerfall erforderlich sind nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik. Mit Partikelunsichtbarkeit meine ich, dass Neutrinos, wenn sie durch Materie gehen, selten eine Spur hinterlassen. Es ist so selten, dass es fast 30 Jahre gedauert hat, um physische Beweise für ihre Anwesenheit in einem Experiment zu finden (durchgeführt von Frederick Raines und Clyde Cowan ).

Neutrinos sind heute ein wesentlicher Bestandteil des Periodensystems des Standardmodells in der Teilchenphysik. Hier finden Sie die Teilchen, aus denen die Materie besteht, die paarweise aufgelistet und in drei Kategorien unterteilt sind: Elektronenneutrinos sind mit Elektronen gepaart, Myonenneutrinos sind mit Myonen gepaart und Tau-Neutrinos sind mit Tau genau gleich. Neutrinos können sich von einer Art zur anderen verwandeln. Zum Beispiel kann ein Elektronenneutrino in ein Myon schwingen und ein Myon kann sich in ein Tau verwandeln. " Neutrino-Oszillationen sind die ersten Anzeichen der Physik jenseits des Standardmodells", sagt Eredato. Und mit einem Lachen fügt er hinzu: "Deshalb mag ich Neutrinos."

Das bringt uns zurück zum OPERA-Experiment. Mit seiner Idee gab es bereits viele Hinweise auf Neutrinoschwingungen, aber alle stammten aus Experimenten mit dem Verschwinden. Das heißt, der Beweis war, dass entweder das Elektron oder das Myon-Neutrino verschwunden sind. Experimente mit dem Aussehen waren erforderlich - das war das Ziel von OPERA. Die Idee war, dass CERN, die Europäische Organisation für Kernforschung in Genf, einen Strahl von Myonenneutrinos erzeugen würde, der auf einen Detektor gerichtet ist, der tief unter der italienischen Bergkette Gran Sasso d'Italia, 730 km von der Quelle entfernt, vergraben ist. Wenn dort Tau-Neutrinos nachgewiesen werden, treten Neutrino-Oszillationen auf. In Übereinstimmung mit der Tradition von Teilchenphysik-Experten, Experimente mit auffälligen Akronymen zu versehen, wurde das Projekt als OPERA (Oszillationsprojekt mit Emulsionsverfolgungsvorrichtung) [Projekt zur Untersuchung von Schwingungen unter Verwendung einer Emulsionsverfolgungsvorrichtung] bekannt.

Die Messung der Neutrinogeschwindigkeit während ihrer Fahrt von CNGS (CERN Neutrinos nach Gran Sasso) [Neutrino von CERN nach Gran Sasso] zum OPERA-Detektor wurde im Vorschlag nicht erwähnt. Im Februar 2011 konzentrierte sich das OPERA-Projekt jedoch fast vollständig darauf.


Der OPERA-Detektor verwendet Tausende von fotografischen Filmsteinen

„Ich denke, wie jeder Wissenschaftler war ich von Anfang an sehr, sehr, sehr skeptisch“, sagt Eredato. "Sie erstellen eine Liste für Überprüfungen: einen Timer, einen Empfänger, GPS, einen Sender vom Empfänger zum Detektor ... Überprüfen Sie alles." Einige Optionen wurden sehr schnell verworfen, andere waren zeitaufwändig. Sie konnten die Experimente am CERN nicht stoppen. In der Zwischenzeit verfolgte Eredato sein Team hart. " Sie können sich nicht vorstellen, wie ich damals mit meinen Kollegen zusammengearbeitet habe - überprüfen Sie es, überprüfen Sie es, tun Sie es, tun Sie es, wiederholen Sie es, wiederholen Sie es erneut - wir haben dies vom Frühjahr bis zum 23. September getan! "

Das Team überprüfte und probierte alle Softwareoptionen, Hardware, Theorien, die sie aufstellen konnten, jeden Schritt, jeden behobenen Fehler, jedes gewonnene Wissen, Beweise dafür, dass sich Neutrinos, die sich schneller als das Licht bewegten, während des gesamten Experiments fest standen. Und dann passierte das Unvermeidliche und Nachrichten über die Daten kamen heraus. Menschen, die nicht an dem Experiment beteiligt waren, begannen Gerüchte über einen Verstoß gegen die Relativitätstheorie zu erzeugen, über ein Ergebnis, das die Grundlagen der Physik auf eine Weise schockieren würde, die sie seit 1900 nicht mehr erschüttert hatten, als Max Planck die Quantenphysik entdeckte. Gerüchte "verbreiten sich mit Lichtgeschwindigkeit", sagt Eredato.

"Und was passiert dann?" Sie beschließen, das Kapitel über Öffentlichkeitsarbeit zu ersetzen. Was soll ich sagen: kein Kommentar? Aber dann wird jeder Ihnen die Schuld geben, alle Journalisten werden sagen: „Ah, Sie verstecken also etwas. Wir wollen wissen, was los ist. Wir zahlen Steuern und unterstützen Sie, wir haben das Recht zu wissen! "Oder Sie geben eine Erklärung ab." Mit bedrohlicher Stimme sagt er: "Ich habe superleichte Neutrinos entdeckt."

In diesem Fall war es nicht Eredato, der alles entschied. Große Versuchsgruppen wie OPERA haben Anweisungen zur Verarbeitung kontroverser Ergebnisse und stimmen ab, um die Ergebnisse der Öffentlichkeit bekannt zu geben. Nur wenige stimmten gegen die Ankündigung. "Und ich respektiere sie sehr, und am Ende hatten sie Recht, weshalb sie Respekt haben."

OPERA veröffentlichte die Ergebnisse am 23. September 2011 in einem speziellen CERN-Workshop. Das Team behauptete nicht, einen Verstoß gegen die Relativitätstheorie entdeckt zu haben. Stattdessen wurden Ausdrücke wie „Beweise“ oder „Entdeckung“ verwendet, und die Daten wurden als „Anomalie“ bezeichnet. Diese Schlüsselnuance ging jedoch in der Empfindung menschlicher Interaktion verloren. Obwohl die von der New York Times veröffentlichte Überschrift eine Klausel enthielt: "Winzige Neutrinos haben möglicherweise das kosmische Tempolimit überschritten", war dies nicht in einem Artikel in The Daily Telegraph ("CERN-Wissenschaftler brechen die Lichtgeschwindigkeit") oder The Guardian enthalten ("Wissenschaftler behaupten, Partikel zu erkennen, die sich schneller als Licht bewegen") oder in Scientific American ("Partikel, die sich schneller als Licht bewegen, wurden erkannt").

Die physische Gemeinschaft nahm die Nachrichten mit Skepsis und sogar Zynismus auf. Kein praktizierender Berufsphysiker war bereit, STO aufzugeben, so wie Wolfgang Pauli in den 1930er Jahren nicht bereit war, das Energieerhaltungsgesetz aufzugeben. Aber was wäre wenn? Seit der Bestätigung der wichtigsten Dogmen des Standardmodells in den Experimenten von UA1 und UA2 am CERN im Jahr 1983 hat jede Entdeckung in der Teilchenphysik (mit Ausnahme von Neutrinooszillationen) das Kästchen dieses ärgerlich heiligen Standardmodells um ein weiteres Häkchen erweitert. Wie könnten Teilchenphysiker der Versuchung widerstehen zu hoffen, dass irgendetwas, irgendetwas dieses Gebiet während ihres Lebens explodieren könnte?

Sogar Eredato hoffte ein wenig. "Du gehst auf einer wissenschaftlichen Konferenz, auf einem Seminar auf das Podium und sagst: Leute, ich habe hier etwas, das ich nicht verstehe. Bitte helfen Sie uns, dies zu verstehen. “ Er macht eine Pause und nickt mehr für sich als für mich. „Ich denke, das ist eine gute Wahl, Bescheidenheit. Und im Allgemeinen träumten alle, dass wir Recht hatten. Das ist alles. "

Die epische Durchbruchphysik lag in der einen Richtung und die potenzielle Schande in der anderen. Sollte OPERA warten? Wie viele Monate könnten Sie das Ergebnis noch analysieren und erneut analysieren? Eredato beugt sich zu mir und zeigt mich durch die Kamera. Er erklärt, warum der Wissenschaftler die Dimension nicht ignorieren kann, auch wenn sie absurd erscheint. „Das kann nicht getötet werden. Die Natur spricht uns nicht durch Theorien an, sondern durch experimentelle Ergebnisse. Die schlechtesten Daten sind besser als die beste Theorie. Wenn Sie nach vernünftigen Ergebnissen suchen, werden Sie niemals Entdeckungen machen oder zumindest keine unerwarteten Entdeckungen machen. Sie können - widersprüchliche Begriffe - die erwartete Entdeckung machen. "

Eines ist klar: Die Ankündigung gab OPERA die Hilfe, auf die sie gehofft hatte. Einige Tage später begannen sie mit Hilfe von CNGS-Strahlbetreibern, einen neuen Ansatz für Messungen zu entwickeln. In der ursprünglichen Analyse war es notwendig, eine statistische Technik zu verwenden, um die Ankunftszeit des Neutrinos zu bestimmen, da der Strahl divergierte. Der neue Ansatz bestand darin, Neutrinos in dichten Chargen zu erzeugen, damit sie zusammen zum Detektor gelangen und ihre Ankunftszeit viel einfacher zu bestimmen ist.

Es dauerte zwei Monate, um den Neutrinostrahl neu zu konfigurieren, das Experiment abzuschließen und die Ergebnisse zu analysieren - beispiellos schnell für ein so komplexes Experiment.

Und die Messungen des Überschusses der Lichtgeschwindigkeit sind nirgendwo hingegangen. "Und dann hatte ich Angst", sagt Eredato. - Ich sagte: "Oh mein Gott." Und nicht nur ich, viele Menschen, die dies sehr kritisierten, konnten angesichts dieses Ergebnisses nichts sagen. “


Der Wissenschaftler untersucht den OPERA-Detektor im Gran Sasso National Laboratory

Teilchenphysik-Experimente bestehen aus komplexen Detektoren und Teilchenbeschleunigern in Hausgröße. Entwicklung und Bau beginnen viele Jahre bevor die ersten Ergebnisse erzielt werden. Bis der Detektor und der Kollider bereits arbeiten, entwickeln die Experimentatoren eine Software zum Analysieren und Sieben von Daten und zum Trennen des seltenen und exotischen Signals und Rauschens von der üblichen und langweiligen Musik von Rauschen. Sie verwenden ihre Version der Blindanalyse, ähnlich wie bei Doppelblindtests in der Biomedizin, und erfordern eine "geschlossene Box mit einem Signal". Anstatt ihre Techniken an realen Daten zu testen, testen sie sie an simulierten Daten, um die Reaktion von Detektorgeräten auf bekannte Prozesse zu reproduzieren. Wenn sie „die Schachtel öffnen“, sollten ihre Messungen daher nicht durch einen bewussten oder unbewussten Wunsch nach einer Entdeckung verzerrt werden.

OPERA-Neutrino-Daten, die schneller als Licht waren, blieben jedoch an Ort und Stelle. Der nächste Schritt bestand darin, wie üblich eine unabhängige Bestätigung von einer Quelle außerhalb von OPERA zu erhalten. Beispielsweise wurde ein Higgs-Partikel sowohl in ATLAS- als auch in CMS-Experimenten beobachtet. Es gab jedoch keine anderen Experimente, die bestätigen oder widerlegen könnten, was mindestens einige Jahre lang auf OPERA geschah. Auf der Basis von Gran Sasso gab es jedoch ein weiteres Experiment, den Large Volume Detector (LVD), mit dem zumindest das Zeitsystem auf OPERA überprüft werden konnte. Die Idee war sicherzustellen, dass die Uhren beider Experimente synchronisiert wurden, indem die Ankunftszeiten der kosmischen Strahlung von Myonen in beiden Detektoren verglichen wurden.

"Es war ein wirklich erstaunliches Experiment", sagt Eredato. Rückblickend auf die bei OPERA über fünf Jahre erhaltenen Daten fanden die Forscher den Zeitraum, in dem die Zeitmessung bei OPERA mit einer Verschiebung von 73 ns arbeitete. Dann wurde ein weiterer Fehler im Timer entdeckt, der das Experiment mit dem verdichteten Strahl beeinflusste: Die Taktfrequenz auf OPERA war nicht mit der Frequenz der Strahlen synchronisiert. Die Kombination dieser beiden Probleme kompensierte vollständig die 60 ns Blei, die bei der Ankunft von Myonenneutrinos mit CNGS aufgezeichnet wurde.

Die Ursache für die Zeitgeberprobleme war ein Glasfaserkabel, das GPS-Zeitsignale von der Gran Sasso-Oberfläche bis zu einer Tiefe von 8,3 km übertrug, wo sich der OPERA-Detektor befand. Das Kabel hatte zwei schwierige Probleme: Erstens war es schlecht angeschlossen, so dass man erwarten konnte, dass der Empfänger überhaupt keine Signale von ihm empfängt. Wenn der Empfänger das Licht sieht, muss er das Neutrino-Rennen zum Detektor starten. Wenn der Empfänger das Licht nicht sieht, sollte es keinen Start geben. Infolgedessen stellte sich jedoch heraus, dass alles falsch war. Stattdessen benötigte dieser Empfänger etwa 73 ns, um genügend Lichtenergie zu erhalten, um das Neutrino zu starten und die Elektronik zu aktivieren. Infolgedessen markierte die Elektronik den Start von Neutrinos 73 ns, nachdem sie die Startlinie am CERN tatsächlich verlassen hatten. „Ich könnte erwarten, dass das Signal entweder da ist oder nicht. Es gibt jedoch keine verzögerten Signale “, sagt Eredato. Zweitens scheint der Kabelstecker verschoben worden zu sein. „Das Kabel wurde normalerweise ungefähr eine Woche vor Beginn der Datenerfassung eingesteckt, und es wurde normal eingesteckt, als wir alles erneut überprüften“, sagt Eredato. "Die Gemeinheit ist, dass zwischen diesen Ereignissen, als wir Daten über die Neutrino-Geschwindigkeit sammelten, das Kabel irgendwie falsch steckte."

Nach dem Auffinden und Korrigieren von Fehlern sind Neutrino-Geschwindigkeitsmessungen an OPERA die genauesten der Welt. Und sie passen perfekt zum Einstein SRT. Die schwache Hoffnung auf eine neue Physik, die das ehrwürdige Standardmodell nicht vorhersagt, ist gestorben. Aber die Arbeit des OPERA-Teams, das das einzige lose Kabel unter Tausenden von elektrischen Kanälen der experimentellen Ausrüstung fand, war erstaunlich. "Ich bin stolz", sagt Eredato. - Ich bin ehrlich, ich dachte immer, dass es eine Lösung für seltsame Phänomene geben würde. Nebenwirkungen, an die niemand denken wird. "Ich hätte niemals an so etwas wie Kabel gedacht, niemals." Und die Zusammenarbeit hat auch die Daten nicht übertrieben und keine nicht unterstützten Aussagen gemacht. Sie gaben überhaupt keine Aussagen ab und führten die Untersuchung in enger Zusammenarbeit mit anderen Teams durch.

Es war jedoch klar, dass sich irgendwo jemand geirrt hatte. Vielleicht war es die Person, die das Kabel angeschlossen oder den Empfänger entworfen hat, oder jemand anderes. Im März 2012, als der Staub nachließ, fand in der OPERA-Zusammenarbeit eine weitere Abstimmung statt, um festzustellen, ob die Teilnehmer Vertrauen in die Projektleiter hatten. Jede am Projekt beteiligte Organisation hatte eine Stimme. Die Abstimmung endete mit einem Ergebnis von 16 gegen 13, um Misstrauen auszudrücken. Mehrere Wähler enthielten sich der Stimme. Dies war weit entfernt von den erforderlichen 2/3 der Stimmen, um als Mehrheit zu gelten und die Führung anzuklagen, aber genug, um die Botschaft zu Gehör zu bringen. OPERA-Chef Eredato und Experimentkoordinator Daria Autiero traten zurück.

In dem Rücktrittsschreiben von Eredato wurde klargestellt, dass er zum Wohle des Teams abreisen würde: „Aufgrund des großen Interesses der Medien stand die OPERA-Zusammenarbeit unter ungewöhnlichem und in gewissem Sinne wechselndem Druck. Und äußerer Druck dringt schnell in das soziale System von 150 Menschen ein, was zu potenziell gefährlichen Ergebnissen führt und die Gefahr birgt, wissenschaftliche Ziele aus den Augen zu verlieren. Das ist zu viel Risiko. Um dieses Risiko zu vermeiden, müssen die Meinungen von Einzelpersonen geopfert werden. “

Hat Eredato etwas Schlimmes getan? Die Leute liegen falsch. Ich habe 13 Jahre lang an Experimenten am SLAC, Fermilab, der Cornell University, CERN und sogar an dem längst toten supraleitenden Superkollider gearbeitet . Vielleicht kann ich Fehler leichter verzeihen als Leute, die noch nie auf dem Server herumkriechen, Kabel anschließen und verkabeln mussten. Konnektoren fallen aus einer Reihe von Gründen aus, und wenn es Tausende von Kanälen gibt, können wir mit Sicherheit sagen, dass kein einziges wissenschaftliches Experiment bestanden hat, ohne ein paar Konnektoren zu versagen. Sie sind normalerweise leicht zu finden, diesmal jedoch nicht. Einige sagen, dass OPERA mehr Kontrollen hätte durchführen sollen, aber als das Misstrauensvotum verabschiedet wurde, war bereits ein ganzes Jahr vergangen. Wie viele Monate brauchten sie dazu noch? Sollte ihre Loyalität gegenüber der Tankstelle gezwungen sein, zu warten, bis das Problem gefunden ist? Nein, dann würden sie dem absurden Konzept folgen, dass Wissenschaftler einem bestimmten wissenschaftlichen Credo folgen müssen.

Vielleicht zeigt die Enttäuschung über die Abstimmungsergebnisse, wie sehr Wissenschaftler, insbesondere Experimentatoren, etwas Neues, Unvorhersehbares finden wollen und wie wütend sie sind, wenn diese Gelegenheit verschwindet.

Ich bat Eredato, die gesamte gesammelte Erfahrung zu bewerten. "Die Gesellschaft teilt gerne alles in Schwarz und Weiß", antwortet er.Aber in der Wissenschaft sind die Antworten nicht immer so klar. "Wir müssen vorsichtig sein, denn wenn wir den Eindruck erwecken, dass die Wissenschaft niemals" Ja "oder" Nein "sagt, immer" Vielleicht "sagt, werden die Leute sagen:" Nun, dann muss der Wissenschaft nicht vertraut werden. " Die Frage der Übermittlung dieser Nachricht ist sehr heikel. “ Die meisten Journalisten, die über Wissenschaft schreiben, sind keine Wissenschaftler. "Sie behandeln wissenschaftliche Informationen sowie Morde oder Entführungen." In Bezug auf seine Rolle persönlich? "Ich habe gelernt, dass wir alle unsere Rolle in diesem Bereich spielen."

Ereditato ist heute Direktor des Labors für Hochenergiephysik der Universität Bern und nimmt weiterhin an verschiedenen Experimenten mit Neutrinos teil. Das OPERA-Experiment sucht weiterhin nach Neutrino-Oszillationen und sammelt Tau-Neutrinos unter verschiedenen Anleitungen. Bisher haben sie vier von ihnen erzielt.

Ransom Stevens ist Physiker, Schriftsteller, Technologe und Journalist. Sein erstes populärwissenschaftliches Buch „Die linke Gehirnhälfte spricht, aber die rechte Gehirnhälfte lacht: respektlos (aber genau!) Blick auf die Neurowissenschaften von Talent & Können, Innovation & Entdeckung und Kunst & Wissenschaft] wurde 2015 veröffentlicht.