Datos que amenazan con romper la física

¿Qué hacer con un científico racional con un resultado imposible?

Antonio Eredito insiste en que la entrevista con él se realice por Skype y que ambas cámaras estén encendidas. Este es un hombre un poco mayor que la mediana edad, cabello con cabello gris enmarcado por los ojos bien abiertos y una barbilla cincelada. Sonríe fácilmente y sus ojos llaman la atención, como la luz de un reflector. El acento italiano agrega vocales adicionales al final de las palabras pronunciadas.

Hablamos 15 minutos antes de que él acepte dar una entrevista registrada. Él dice que no quiere alentar a los periodistas que pueden distorsionar sus palabras y producir una historia sensacional y poco confiable. Estuvo de acuerdo en hablar conmigo por Skype porque no soy periodista, sino físico y al mismo tiempo autor que pasó 13 años en las trincheras de la física experimental de partículas. Al final, dice: “Está bien, te miré a los ojos, confío en ti. Quizás este es mi problema. Puede que sea demasiado confiado, pero confío en ti. Se ríe y se recuesta en una silla, extendiendo los brazos a los lados.

Eredito es el ex líder de 160 físicos de 13 países que componen la colaboración OPERA, diseñado para estudiar la física de neutrinos. Se propuso por primera vez que se ensamblara en 2000, y Eredato lo gestionó de 2008 a 2012. Luego, en el invierno de 2011, algo imposible parecía suceder. "La persona que estudió los datos me llama", me dice Eredato desde la pantalla de mi computadora. - Él dice: "Veo algo extraño aquí". Vio evidencia de que los neutrinos pasaron a través de 730 km de la corteza terrestre, desde Suiza a Italia, y deberían hacerlo, a una velocidad tan alta que llegaron a su destino 60.7 ns más rápido de lo que la luz podía viajar a tanta distancia. espacio, que no debería ser.



Durante los últimos cien años de observación de Einstein, según los cuales los objetos masivos no pueden moverse más rápido que la velocidad de la luz en el vacío, incorporada en su teoría especial de la relatividad, se han convertido en la piedra angular de nuestra comprensión del universo. Si las mediciones de OPERA fueran correctas, marcarían la primera violación de esta teoría. Sería una bomba atómica en el corazón de nuestra comprensión del universo.

Le pregunto a Eredato si pensó que esto debería ser un error. "No creo que sea honesto decir eso", me dice. "Por así decirlo, distorsionaremos nuestro análisis". Entonces, cuando recibimos una pista de algo tan sorprendente, la primera reacción fue: averigüemos por qué es así ”.

Wolfgang Pauli postuló la existencia de neutrinos en 1930 para resolver un problema simple. Cuando los núcleos experimentan la desintegración beta al emitir un electrón o positrón, el equivalente de un electrón de la antimateria, falta algo. O algo invisible se emite con el electrón / positrón, o la energía desaparece. Como en ningún experimento reproducible donde algo voló, cayó, se movió, chocó, decayó o no cambió, no se detectó la desaparición de energía, Pauli propuso un neutrino, una partícula invisible, con todas las propiedades necesarias para provocar la desintegración beta de acuerdo con la primera ley de la termodinámica. Por invisibilidad de partículas, quiero decir que cuando los neutrinos pasan a través de la materia, rara vez dejan rastro. Es tan raro que tomó casi 30 años encontrar evidencia física de su presencia en un experimento (realizado por Frederick Raines y Clyde Cowan ).

Hoy, los neutrinos son una parte integral de la tabla periódica del Modelo Estándar en física de partículas. Aquí encontrará las partículas que componen la materia, enumeradas en pares y divididas en tres categorías: los neutrinos de electrones están emparejados con electrones, los neutrinos de muones están emparejados con muones, y los neutrinos tau son exactamente lo mismo con tau. Los neutrinos pueden transformarse de una especie a otra. Por ejemplo, un neutrino electrónico puede oscilar en un muón, y un muón puede convertirse en una tau. "Las oscilaciones de neutrinos son los primeros signos de la física más allá del modelo estándar", me dice Eredato. Y con una sonrisa, agrega: "Por eso me gustan los neutrinos".

Lo que nos lleva de vuelta al experimento OPERA. Con su idea, ya había mucha evidencia de oscilaciones de neutrinos, pero todos ellos provenían de experimentos de desaparición. Es decir, la evidencia fue que el electrón o el neutrino muón desaparecieron. Se requerían experimentos con la apariencia: este era el objetivo de OPERA. La idea era que el CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear en Ginebra, crearía un haz de neutrinos de muón dirigido a un detector enterrado en las profundidades de la cadena montañosa italiana de Gran Sasso d'Italia, a 730 km de la fuente. Si se detectan neutrinos tau allí, entonces ocurren oscilaciones de neutrinos. De acuerdo con la tradición de los expertos en física de partículas para dar siglas llamativas a los experimentos, el proyecto se hizo conocido como OPERA (Proyecto de Oscilación con Aparato de Seguimiento de Emulsión) [proyecto para el estudio de oscilaciones usando un aparato de seguimiento de emulsión].

La medida de la velocidad de neutrinos durante su viaje desde CNGS (CERN Neutrinos a Gran Sasso) [Neutrino desde CERN a Gran Sasso] al detector OPERA no se mencionó en la propuesta. Pero en febrero de 2011, el proyecto OPERA se centró casi por completo en eso.


El detector OPERA utiliza miles de ladrillos de película fotográfica

"Creo que, como cualquier científico, desde el principio era muy, muy, muy escéptico", dice Eredato. "Haces una lista para las comprobaciones: un temporizador, un receptor, un GPS, un transmisor desde el receptor hasta el detector ... Comprueba todo". Algunas opciones se descartaron muy rápidamente, otras consumieron mucho tiempo. No se podían detener los experimentos en el CERN. Mientras tanto, Eredato persiguió a su equipo ". No puedes imaginar cómo trabajé con mis colegas en ese momento: compruébalo, compruébalo, hazlo, hazlo, repítelo, repítelo de nuevo. ¡Lo hicimos desde la primavera hasta el 23 de septiembre! "

El equipo verificó y probó todas las opciones de software, hardware, teorías que pudieron encontrar, cada paso, cada error corregido, cada poco de conocimiento adquirido, evidencia de que los neutrinos se movían más rápido que la luz se mantuvieron firmes durante todo el experimento. Y luego sucedió lo inevitable y se filtraron noticias sobre los datos. Las personas que no participaron en el experimento comenzaron a generar rumores sobre una violación de la teoría de la relatividad, sobre un resultado que conmocionaría los fundamentos de la física de una manera que no habían sido sacudidos desde 1900, cuando Max Planck descubrió la física cuántica. Los rumores "se propagan a la velocidad de la luz", me dice Eredato.

"¿Y luego qué pasa?" Decide tomar el lugar del capítulo sobre relaciones públicas. ¿Qué decir: sin comentarios? Pero entonces todos te culparán, todos los periodistas dirán: “Ah, entonces estás ocultando algo. Queremos saber qué está pasando. ¡Pagamos impuestos y lo apoyamos, tenemos derecho a saberlo! "O usted hace una declaración". Con voz ominosa, dice: "Descubrí neutrinos superligeros".

En este caso, no fue Eredato quien decidió todo. Los grandes grupos experimentales como OPERA tienen instrucciones para procesar resultados controvertidos y votan para anunciar los resultados al público. Solo unas pocas personas votaron en contra del anuncio. "Y los respeto mucho, y al final tenían razón, por eso tienen respeto".

OPERA publicó los resultados el 23 de septiembre de 2011 en un taller especial del CERN. El equipo no afirmó haber descubierto una violación de la teoría de la relatividad. En cambio, se utilizaron frases como "evidencia" o "descubrimiento", y los datos se denominaron "anomalía". Pero este matiz clave se perdió en la sensación de interacción humana. Aunque el titular publicado por The New York Times incluía una cláusula: "Los pequeños neutrinos pueden haber superado el límite de velocidad cósmica", no estaba en un artículo en The Daily Telegraph ("Los científicos del CERN rompen la velocidad de la luz") o The Guardian ("Los científicos afirman detectar partículas que se mueven más rápido que la luz"), o en Scientific American ("Se han detectado partículas que se mueven más rápido que la luz").

La comunidad física tomó las noticias con escepticismo e incluso cinismo. Ningún físico profesional en ejercicio estaba listo para abandonar STO, al igual que Wolfgang Pauli no estaba listo para abandonar la ley de conservación de la energía en la década de 1930. Pero aún así, ¿y si? Desde la confirmación de los dogmas clave del Modelo Estándar en los experimentos de UA1 y UA2 en el CERN en 1983, cada descubrimiento en física de partículas (excepto las oscilaciones de neutrinos) ha agregado una marca más al tesoro de este molesto Modelo Estándar sagrado. ¿Cómo podrían los físicos de partículas resistir la tentación de esperar que cualquier cosa, cualquier cosa, pudiera explotar esta área durante su vida?

Incluso Eredato esperaba un poco. "Vas al podio en una conferencia científica, en un seminario, y dices: Chicos, tengo algo aquí que no entiendo. Por favor, ayúdanos a entender esto ". Hace una pausa y asiente, más para sí mismo que para mí. “Creo que esta es una buena opción, modestia. Y en general, todos soñaron que teníamos razón. Eso es todo.

La física épica revolucionaria yacía en una dirección y la vergüenza potencial en la otra. ¿Debería esperar OPERA? ¿Cuántos meses más podría analizar y volver a analizar el resultado? Inclinándose hacia mí, señalándome a través de la cámara, Eredato explica por qué el científico no puede ignorar la dimensión, incluso si parece absurdo. “Esto no puede ser asesinado. La naturaleza nos habla no a través de teorías, sino a través de resultados experimentales. Los peores datos son mejores que la mejor teoría. Si está buscando resultados razonables, nunca hará descubrimientos, o al menos no hará descubrimientos inesperados. Puede hacer, términos contradictorios, el descubrimiento esperado ".

Una cosa está clara: el anuncio proporcionó a OPERA la ayuda que esperaba. Pocos días después, con la ayuda de los operadores de haces CNGS, comenzaron a desarrollar un nuevo enfoque para las mediciones. En el análisis original, fue necesario utilizar una técnica estadística para determinar el tiempo de llegada del neutrino, ya que el haz divergió. El nuevo enfoque consistía en generar neutrinos en lotes densos para que vinieran juntos al detector, de modo que su hora de llegada fuera mucho más fácil de determinar.

Tomó dos meses reconfigurar el haz de neutrinos, completar el experimento y analizar los resultados, sin precedentes rápido para un experimento tan complejo.

Y las medidas del exceso de la velocidad de la luz no han ido a ninguna parte. "Y luego tuve miedo", dice Eredato. - Dije: "Dios mío". Y no solo yo, mucha gente que criticaba mucho esto, no podía decir nada frente a este resultado ”.


Científico examina el detector OPERA en el Laboratorio Nacional Gran Sasso

Los experimentos de física de partículas consisten en detectores complejos del tamaño de una casa y aceleradores de partículas. El desarrollo y la construcción comienzan muchos años antes de que se obtengan los primeros resultados. Para cuando el detector y el colisionador ya están funcionando, los experimentadores están desarrollando un software para analizar y tamizar datos, y para separar la señal y el ruido, raro y exótico de lo habitual y aburrido, la música del ruido. Utilizan su versión de análisis ciego, similar a las pruebas doble ciego en biomedicina, que requieren una "caja cerrada con una señal". En lugar de probar sus técnicas con datos reales, las prueban con datos simulados diseñados para reproducir la respuesta del equipo detector a procesos conocidos. Como resultado, cuando "abren la caja", sus mediciones no deben verse distorsionadas por algún deseo consciente o inconsciente de hacer un descubrimiento.

Sin embargo, los datos de neutrinos OPERA más rápidos que la luz permanecieron en su lugar. El siguiente paso fue obtener una confirmación independiente de una fuente fuera de OPERA, como es habitual. Por ejemplo, se observó una partícula de Higgs en los experimentos ATLAS y CMS. Pero no hubo otros experimentos que pudieran confirmar o refutar lo que estaba sucediendo en OPERA durante al menos varios años. Sin embargo, sobre la base de Gran Sasso, hubo otro experimento, el Detector de gran volumen (LVD), que, al menos, podía verificar el sistema de tiempo en OPERA. La idea era asegurarse de que los relojes de ambos experimentos estuvieran sincronizados comparando los tiempos de llegada de los rayos cósmicos de los muones en ambos detectores.

"Fue un experimento realmente sorprendente", me dice Eredato. Mirando hacia atrás a los datos obtenidos en OPERA durante cinco años, los investigadores encontraron el período en el que la medición del tiempo en OPERA funcionó con un cambio de 73 ns. Luego, se descubrió otro error en el temporizador que afectó el experimento con el haz densificado: la frecuencia del reloj en OPERA no estaba sincronizada con la frecuencia de los haces. La combinación de estos dos problemas compensó por completo el plomo de 60 ns que se registró a la llegada de los neutrinos muónicos con GNCG.

La fuente de los problemas del temporizador fue un cable de fibra óptica que transmitía señales de tiempo GPS desde la superficie del Gran Sasso a una profundidad de 8.3 km, donde se encontraba el detector OPERA. El cable tenía dos problemas difíciles: en primer lugar, estaba mal conectado, por lo que uno podría esperar que el receptor no reciba señales de él en absoluto. Si el receptor ve la luz, debe comenzar la carrera de neutrinos hacia el detector. Si el receptor no ve la luz, no debe haber inicio. Pero como resultado, todo salió mal. En cambio, este receptor necesitaba aproximadamente 73 ns para obtener suficiente energía luminosa para iniciar el neutrino y activar la electrónica. Como resultado, la electrónica marcó el inicio de los neutrinos 73 ns después de que realmente dejaron la línea de inicio en el CERN. “Podría esperar que la señal esté allí o no. Pero no hay señales retrasadas ”, dice Eredato. En segundo lugar, el conector del cable parece haber sido desplazado. "El cable se enchufó normalmente aproximadamente una semana antes de que comenzáramos a recopilar datos, y se enchufó normalmente cuando verificamos todo nuevamente", dice Eredato. "Lo malo es que entre estos eventos, cuando recopilamos datos sobre la velocidad de los neutrinos, el cable estaba atascado de alguna manera mal".

Después de encontrar y corregir errores, las mediciones de velocidad de neutrinos en OPERA son las más precisas del mundo. Y coinciden perfectamente con el Einstein SRT. La débil esperanza de una nueva física no prevista por el venerable Modelo Estándar ha muerto. Pero el trabajo del equipo de OPERA, que encontró el único cable suelto entre los miles de canales eléctricos del equipo experimental, fue sorprendente. "Estoy orgulloso", me dice Eredato. - Seré sincero, siempre pensé que habría una solución entre fenómenos extraños. Efectos secundarios, de manera que nadie lo piense. "Nunca hubiera pensado en un cable, nunca". Y la colaboración tampoco exageró los datos y no hizo declaraciones sin respaldo. No hicieron declaraciones en absoluto y llevaron a cabo la investigación en estrecha colaboración con otros equipos.

Sin embargo, estaba claro que alguien se había equivocado en alguna parte. Quizás fue la persona que conectó el cable, o quien diseñó el receptor, o alguien más. En marzo de 2012, cuando el polvo disminuyó, la colaboración OPERA celebró otra votación para determinar si los participantes confiaban en los líderes del proyecto. Cada organización que participó en el proyecto tuvo un voto. La votación terminó con un resultado de 16 contra 13 a favor de expresar desconfianza, varios votantes se abstuvieron. Esto estaba lejos de los 2/3 de los votos requeridos para ser considerado una mayoría e impugnar a los líderes, pero lo suficiente como para hacer que se escuche el mensaje. El líder de OPERA, Eredato, y la coordinadora de experimentos, Daria Autiero, renunciaron.

La carta de renuncia de Eredato indicaba claramente que se iba por el bien del equipo: “como resultado del gran interés de los medios de comunicación, la colaboración de OPERA estaba bajo una presión anómala y, en cierto sentido, cambiante. Y la presión externa se filtra rápidamente en el sistema social de 150 personas, lo que conduce a resultados potencialmente peligrosos, al peligro de perder de vista los objetivos científicos. Esto es demasiado riesgo. Para evitar este riesgo, las opiniones de las personas deben ser sacrificadas ".

¿Eredato hizo algo malo? La gente está equivocada. Pasé 13 años trabajando en experimentos en SLAC, Fermilab, Universidad de Cornell, CERN, e incluso en la superconductora superconductora muerta hace mucho tiempo. Quizás pueda perdonar los errores más fácilmente que las personas que nunca han tenido que gatear por el servidor, conectando y cableando cables. Los conectores fallan debido a varias razones, y si hay miles de canales, podemos decir con confianza que no ha pasado un solo experimento científico sin fallar un par de conectores. Por lo general, son fáciles de encontrar, pero esta vez no. Algunos dicen que OPERA debería haber hecho más controles, pero para cuando se aprobó el voto de desconfianza, ya había pasado un año entero. ¿Cuántos meses más necesitaron para hacer esto? ¿Debería forzarse su lealtad a la estación de servicio a esperar hasta que se encuentre el problema? No, entonces seguirían el concepto absurdo de que los científicos deben seguir un cierto credo científico.

Quizás la decepción expresada por los resultados de la votación indica cuánto científicos, especialmente los experimentadores, quieren encontrar algo nuevo, algo impredecible y cuán enojados están cuando esta oportunidad desaparece.

Le pedí a Eredato que evaluara toda la experiencia adquirida. "A la sociedad le gusta dividir todo en blanco y negro", responde.Pero en ciencia, las respuestas no siempre son tan claras. "Tenemos que tener cuidado, porque si creamos la impresión de que la ciencia nunca dice" sí "o" no ", siempre dice" quizás ", entonces la gente dirá" Bueno, entonces no es necesario confiar en la ciencia ". La cuestión de entregar este mensaje es muy delicada ”. La mayoría de los periodistas que escriben sobre ciencia no son científicos. "Tratan información científica, así como asesinatos o secuestros". En cuanto a su papel personal? "Aprendí que todos jugamos nuestro papel en esta área".

Hoy, Ereditato es el director del Laboratorio de Física de Alta Energía, Universidad de Berna, y continúa participando en varios experimentos con neutrinos. El experimento OPERA, mientras tanto, continúa buscando oscilaciones de neutrinos y recolectando neutrinos tau bajo diferentes orientaciones. Hasta ahora han marcado cuatro de ellos.

Ransom Stevens es físico, escritor, tecnólogo, periodista. Su primer libro de ciencia popular, "El cerebro izquierdo habla, pero el cerebro derecho se ríe: un irreverente (¡pero preciso!) mire la neurociencia del talento y la habilidad, la innovación y el descubrimiento, y el arte y la ciencia] se lanzó en 2015.