Des données menacent de briser la physique

Que faire à un scientifique rationnel avec un résultat impossible?

Antonio Eredito insiste pour que l'entretien avec lui soit réalisé sur Skype et que les deux caméras soient allumées. Il s'agit d'un homme un peu plus âgé que l'âge moyen, ses cheveux aux cheveux gris sont encadrés par des yeux grands ouverts et un menton ciselé. Il sourit facilement et ses yeux attirent l'attention, comme la lumière d'un projecteur. L'accent italien ajoute des voyelles supplémentaires à la fin des mots prononcés.

Nous parlons 15 minutes avant qu'il n'accepte d'accorder une interview au dossier. Il dit qu'il ne veut pas encourager les journalistes qui peuvent déformer ses mots et produire une histoire sensationnelle et peu fiable. Il a accepté de parler avec moi sur Skype car je ne suis pas journaliste, mais physicien et en même temps auteur qui a passé 13 ans dans les tranchées de la physique expérimentale des particules. Au final, il dit: «D'accord, je vous ai regardé dans les yeux, je vous fais confiance. C'est peut-être mon problème. Je fais peut-être trop confiance, mais je te fais confiance. » Il rit et se penche en arrière sur une chaise, étendant ses bras sur les côtés.

Eredito est l'ancien dirigeant de 160 physiciens de 13 pays qui composent la collaboration OPERA, conçue pour étudier la physique des neutrinos. Il a été proposé pour la première fois d'être assemblé en 2000, et Eredato l'a géré de 2008 à 2012. Puis, à l'hiver 2011, quelque chose d'impossible a semblé se produire. «La personne qui a étudié les données m'appelle», me dit Eredato depuis l'écran de mon ordinateur. - Il dit: "Je vois quelque chose d'étrange ici." Il a vu des preuves que les neutrinos avaient traversé 730 km de la croûte terrestre, de la Suisse à l'Italie - et ils devraient le faire - à une vitesse telle qu'ils sont arrivés à destination 60,7 ns plus vite que la lumière ne pouvait parcourir une telle distance en l'espace - qui ne devrait pas être.



Au cours des cent dernières années d'observation d'Einstein, selon lesquelles des objets massifs ne peuvent pas voyager plus vite que la vitesse de la lumière dans le vide, intégrée à sa théorie spéciale de la relativité, sont devenus la pierre angulaire de notre compréhension de l'univers. Si les mesures OPERA étaient correctes, elles marqueraient la première violation de cette théorie. Ce serait une bombe atomique au cœur de notre compréhension de l'univers.

Je demande à Eredato s'il pensait que cela devait être une erreur. "Je ne pense pas qu'il serait honnête de dire cela", me dit-il. "Pour ainsi dire, nous allons fausser notre analyse." Alors, quand nous avons eu une idée de quelque chose de si étonnant, la première réaction a été: voyons pourquoi il en est ainsi. »

Wolfgang Pauli a postulé l'existence de neutrinos en 1930 pour résoudre un problème simple. Lorsque les noyaux subissent une désintégration bêta en émettant un électron ou un positron, l'équivalent d'un électron de l'antimatière, quelque chose manque. Soit quelque chose d'invisible est émis avec l'électron / positron, soit l'énergie disparaît. Comme dans aucune expérience reproductible où quelque chose a volé, est tombé, s'est déplacé, est entré en collision, s'est désintégré ou n'a pas changé, la disparition d'énergie n'a pas été détectée, Pauli a proposé un neutrino, une particule invisible, avec toutes les propriétés nécessaires pour provoquer une désintégration bêta conformément à la première loi de la thermodynamique. Par invisibilité des particules, je veux dire que lorsque les neutrinos traversent la matière, ils laissent rarement une trace. Il est si rare qu'il a fallu près de 30 ans pour trouver des preuves physiques de leur présence dans une expérience (menée par Frederick Raines et Clyde Cowan ).

Aujourd'hui, les neutrinos font partie intégrante du tableau périodique du modèle standard en physique des particules. Vous trouverez ici les particules qui composent la matière, répertoriées par paires et divisées en trois catégories: les neutrinos électroniques sont couplés avec des électrons, les neutrinos muons sont couplés avec des muons, et les neutrinos tau sont exactement les mêmes avec le tau. Les neutrinos peuvent se transformer d'une espèce à une autre. Par exemple, un neutrino électronique peut osciller en un muon, et un muon peut se transformer en un tau. « Les oscillations de neutrinos sont les premiers signes de la physique au-delà du modèle standard», me dit Eredato. Et en riant, il ajoute: "C'est pourquoi j'aime les neutrinos."

Ce qui nous ramène à l'expérience OPERA. Avec son idée, il y avait déjà beaucoup de preuves d'oscillations de neutrinos, mais toutes provenaient d'expériences de disparition. Autrement dit, la preuve était que l'électron ou le neutrino à muons avaient disparu. Des expériences avec l'apparence étaient nécessaires - c'était l'objectif d'OPERA. L'idée était que le CERN, l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire à Genève, créerait un faisceau de neutrinos à muons destiné à un détecteur enfoui profondément sous la chaîne de montagnes italienne Gran Sasso d'Italia, à 730 km de la source. Si des neutrinos tau y sont détectés, des oscillations de neutrinos se produisent. Conformément à la tradition des experts en physique des particules de donner des acronymes flashy aux expériences, le projet est devenu connu sous le nom de OPERA (Oscillation Project with Emulsion-Tracking Apparatus) [projet d'étude des oscillations utilisant un appareil de suivi d'émulsion].

La mesure de la vitesse des neutrinos pendant leur trajet du CNGS (neutrinos du CERN au Gran Sasso) [neutrino du CERN au Gran Sasso] vers le détecteur OPERA n'était pas mentionnée dans la proposition. Mais en février 2011, le projet OPERA s'est presque entièrement concentré sur cela.


Le détecteur OPERA utilise des milliers de briques de pellicule photographique

«Je pense que, comme tout scientifique, dès le début, j'étais très, très, très sceptique», explique Eredato. "Vous faites une liste de vérifications: une minuterie, un récepteur, un GPS, un émetteur du récepteur au détecteur ... Vérifiez tout." Certaines options ont été rejetées très rapidement, d'autres prenaient du temps. Vous ne pouviez pas arrêter les expériences au CERN. Pendant ce temps, Eredato a durement poursuivi son équipe. " Vous ne pouvez pas imaginer comment j'ai travaillé avec mes collègues à ce moment-là - vérifiez-le, vérifiez-le, faites-le, faites-le, répétez, répétez encore - nous l'avons fait du printemps jusqu'au 23 septembre! "

L'équipe a vérifié et essayé toutes les options logicielles, le matériel, les théories qu'ils pouvaient proposer, à chaque étape, chaque bug corrigé, chaque connaissance acquise, la preuve que les neutrinos se déplaçant plus rapidement que la lumière se tenaient fermement pendant toute l'expérience. Et puis l'inévitable s'est produit et des nouvelles sur les données ont été divulguées. Les gens qui n'étaient pas impliqués dans l'expérience ont commencé à générer des rumeurs sur une violation de la théorie de la relativité, sur un résultat qui choquerait les fondamentaux de la physique d'une manière qui n'avait pas été ébranlée depuis 1900, lorsque Max Planck a découvert la physique quantique. Des rumeurs "se propagent à la vitesse de la lumière", me dit Eredato.

"Et ensuite, que se passe-t-il?" Vous décidez de prendre la place du chapitre sur les relations publiques. Que dire: pas de commentaire? Mais alors tout le monde vous en voudra, tous les journalistes diront: «Ah, donc vous cachez quelque chose. Nous voulons savoir ce qui se passe. Nous payons des impôts et vous soutenons, nous avons le droit de savoir! "Ou vous faites une déclaration." D'une voix menaçante, il dit: "J'ai découvert des neutrinos super légers".

Dans ce cas, ce n'est pas Eredato qui a tout décidé. De grands groupes expérimentaux comme OPERA ont des instructions pour traiter les résultats controversés et votent pour annoncer les résultats au public. Seules quelques personnes ont voté contre l'annonce. «Et je les respecte beaucoup, et finalement ils avaient raison, c'est pourquoi ils ont du respect.»

OPERA a publié les résultats le 23 septembre 2011 lors d'un atelier spécial du CERN. L'équipe n'a pas prétendu avoir découvert une violation de la théorie de la relativité. Au lieu de cela, des expressions telles que «preuve» ou «découverte» ont été utilisées, et les données ont été appelées «anomalie». Mais cette nuance clé s'est perdue dans la sensation d'interaction humaine. Bien que le titre publié par le New York Times contienne une clause: "De minuscules neutrinos ont peut-être dépassé la limite de vitesse cosmique", ce n'était pas dans un article du Daily Telegraph ("Les scientifiques du CERN brisent la vitesse de la lumière") ou The Guardian ("Les scientifiques prétendent détecter des particules se déplaçant plus rapidement que la lumière"), ou dans Scientific American ("Des particules se déplaçant plus rapidement que la lumière ont été détectées").

La communauté physique a pris les nouvelles avec scepticisme, voire cynisme. Aucun physicien professionnel en exercice n'était prêt à abandonner la STO, tout comme Wolfgang Pauli n'était pas prêt à abandonner la loi de la conservation de l'énergie dans les années 1930. Mais encore, et si? Depuis la confirmation des principaux dogmes du modèle standard dans les expériences de UA1 et UA2 au CERN en 1983, chaque découverte en physique des particules (à l'exception des oscillations des neutrinos) a ajouté une touche de plus au trésor de ce modèle standard sacrément ennuyeux. Comment les physiciens des particules ont-ils pu résister à la tentation d'espérer que n'importe quoi, n'importe quoi, pourrait exploser cette zone au cours de leur vie?

Même Eredato espérait un peu. "Vous montez sur le podium lors d'une conférence scientifique, lors d'un séminaire et dites: Les gars, j'ai quelque chose ici que je ne comprends pas. Aidez-nous à comprendre cela. » Il s'arrête et acquiesce, plus pour lui que pour moi. «Je pense que c'est un bon choix, modestie. Et en général, tout le monde rêvait que nous avions raison. C'est tout. "

Une physique révolutionnaire épique réside dans une direction et une honte potentielle dans l'autre. L'OPERA doit-il attendre? Combien de mois de plus pourriez-vous analyser et réanalyser le résultat? Se penchant vers moi, me pointant à travers la caméra, Eredato explique pourquoi le scientifique ne peut ignorer la dimension, même si cela semble absurde. «Cela ne peut pas être tué. La nature ne nous parle pas à travers des théories, mais à travers des résultats expérimentaux. Les pires données sont meilleures que la meilleure théorie. Si vous recherchez des résultats raisonnables, vous ne ferez jamais de découvertes, ou du moins ne ferez pas de découvertes inattendues. Vous pouvez faire - des termes contradictoires - la découverte attendue. "

Une chose est claire: l'annonce a fourni à OPERA l'aide qu'elle espérait. Quelques jours plus tard, avec l'aide des opérateurs de faisceaux CNGS, ils ont commencé à développer une nouvelle approche des mesures. Dans l'analyse d'origine, il a fallu utiliser une technique statistique pour déterminer l'heure d'arrivée du neutrino, car le faisceau a divergé. La nouvelle approche consistait à générer des neutrinos en lots denses afin qu'ils arrivent ensemble au détecteur, afin que leur heure d'arrivée soit beaucoup plus facile à déterminer.

Il a fallu deux mois pour reconfigurer le faisceau de neutrinos, achever l'expérience et analyser les résultats - une vitesse sans précédent pour une expérience aussi complexe.

Et les mesures de l'excès de la vitesse de la lumière ne sont allées nulle part. «Et puis j'ai eu peur», explique Eredato. - J'ai dit: "Oh mon Dieu." Et non seulement moi, beaucoup de gens qui étaient très critiques à ce sujet, je ne pouvais rien dire face à ce résultat. »


Un scientifique examine le détecteur OPERA au Laboratoire national du Gran Sasso

Les expériences de physique des particules consistent en des détecteurs et des accélérateurs de particules de taille complexe. Le développement et la construction commencent plusieurs années avant que les premiers résultats ne soient obtenus. Au moment où le détecteur et le collisionneur fonctionnent déjà, les expérimentateurs développent un logiciel pour analyser et tamiser les données, et pour séparer le signal et le bruit, rare et exotique de la musique habituelle et ennuyeuse, du bruit. Ils utilisent leur version de l'analyse en aveugle, similaire aux tests en double aveugle en biomédecine, nécessitant une «boîte fermée avec un signal». Au lieu de tester leurs techniques sur des données réelles, ils les testent sur des données simulées conçues pour reproduire la réponse des équipements de détection à des processus connus. Par conséquent, lorsqu'ils «ouvrent la boîte», leurs mesures ne devraient pas être faussées par un désir conscient ou inconscient de faire une découverte.

Cependant, les données OPERA sur les neutrinos plus rapides que la lumière sont restées en place. L'étape suivante consistait à obtenir une confirmation indépendante d'une source extérieure à OPERA, comme c'est la coutume. Par exemple, une particule de Higgs a été observée dans les expériences ATLAS et CMS. Mais aucune autre expérience n'a pu confirmer ou infirmer ce qui se passait sur OPERA depuis au moins plusieurs années. Cependant, sur la base du Gran Sasso, il y avait une autre expérience, le détecteur de grand volume (LVD), qui, au moins, pouvait vérifier le système de temps sur OPERA. L'idée était de s'assurer que les horloges des deux expériences étaient synchronisées en comparant les temps d'arrivée des rayons cosmiques des muons dans les deux détecteurs.

«Ce fut une expérience vraiment incroyable», me dit Eredato. En regardant les données obtenues à OPERA sur cinq ans, les chercheurs ont trouvé la période pendant laquelle la mesure du temps à OPERA a fonctionné avec un décalage de 73 ns. Ensuite, une autre erreur a été découverte dans la minuterie qui a affecté l'expérience avec le faisceau densifié: la fréquence d'horloge sur OPERA n'était pas synchronisée avec la fréquence des faisceaux. La combinaison de ces deux problèmes a complètement compensé le plomb de 60 ns enregistré à l'arrivée des neutrinos muoniques avec CNGS.

La source des problèmes de minuterie était un câble à fibre optique qui transmettait les signaux horaires GPS de la surface du Gran Sasso à une profondeur de 8,3 km, où se trouvait le détecteur OPERA. Le câble avait deux problèmes délicats: premièrement, il était mal connecté, de sorte que l'on pouvait s'attendre à ce que le récepteur n'en reçoive aucun signal. Si le récepteur voit la lumière, il doit lancer la course des neutrinos vers le détecteur. Si le récepteur ne voit pas la lumière, il ne devrait pas y avoir de démarrage. Mais en conséquence, tout s'est avéré faux. Au lieu de cela, ce récepteur avait besoin d'environ 73 ns pour obtenir suffisamment d'énergie lumineuse pour démarrer le neutrino et activer l'électronique. En conséquence, l'électronique a marqué le début des neutrinos 73 ns après qu'ils aient effectivement quitté la ligne de départ au CERN. «Je pouvais m'attendre à ce que le signal soit là ou pas. Mais il n'y a pas de signaux retardés », explique Eredato. Deuxièmement, le connecteur du câble semble avoir été déplacé. «Le câble était normalement branché environ une semaine avant que nous commencions à collecter des données, et il a été branché normalement lorsque nous avons tout vérifié à nouveau», explique Eredato. «La méchanceté est qu'entre ces événements, lorsque nous avons collecté des données sur la vitesse des neutrinos, le câble était coincé d'une manière ou d'une autre.»

Après avoir trouvé et corrigé des erreurs, les mesures de vitesse des neutrinos sur OPERA sont les plus précises au monde. Et ils correspondent parfaitement à l'Einstein SRT. Le faible espoir d'une nouvelle physique non prévue par le vénérable modèle standard est mort. Mais le travail de l'équipe OPERA, qui a trouvé le seul câble lâche parmi des milliers de canaux électriques de l'équipement expérimental, était incroyable. «Je suis fier», me dit Eredato. - Je vais être honnête, j'ai toujours pensé qu'il y aurait une solution parmi les phénomènes étranges. Des effets secondaires, auxquels personne ne pense. "Je n'aurais jamais pensé à une chose telle que le câble, jamais." Et la collaboration n'a pas non plus exagéré les données et n'a pas fait de déclarations non étayées. Ils n'ont fait aucune déclaration et ont mené l'enquête en étroite collaboration avec d'autres équipes.

Cependant, il était clair que quelqu'un s'était trompé quelque part. C'est peut-être la personne qui a branché le câble, ou qui a conçu le récepteur, ou quelqu'un d'autre. En mars 2012, lorsque la poussière s'est calmée, la collaboration OPERA a procédé à un autre vote pour déterminer si les participants avaient confiance dans les chefs de projet. Chaque organisation participant au projet disposait d'une voix. Le vote s'est terminé par un résultat de 16 contre 13 en faveur de l'expression de la méfiance, plusieurs électeurs se sont abstenus. C'était loin des 2/3 des voix nécessaires pour être considéré comme une majorité et destituer la direction, mais suffisant pour faire entendre le message. Le leader de l'OPERA Eredato et la coordinatrice de l'expérience Daria Autiero ont démissionné.

La lettre de démission d'Eredato indiquait clairement qu'il partait pour le bien de l'équipe: «suite au grand intérêt des médias, la collaboration OPERA a été soumise à des pressions anormales et en un sens changeantes. Et la pression extérieure s'infiltre rapidement dans le système social de 150 personnes, ce qui conduit à des résultats potentiellement dangereux, au risque de perdre de vue les objectifs scientifiques. C'est trop de risque. Afin d'éviter ce risque, les opinions des individus doivent être sacrifiées. »

Eredato a-t-il fait quelque chose de mal? Les gens ont tort. J'ai passé 13 ans à travailler sur des expériences au SLAC, au Fermilab, à l'Université Cornell, au CERN, et même dans le supercollider supraconducteur mort depuis longtemps. Je peux peut-être pardonner plus facilement que les personnes qui n'ont jamais eu à ramper autour du serveur, à connecter et à câbler les câbles. Les connecteurs échouent pour plusieurs raisons, et s'il y a des milliers de canaux, nous pouvons affirmer avec certitude qu'aucune expérience scientifique ne s'est écoulée sans échouer sur quelques connecteurs. Ils sont généralement faciles à trouver, mais pas cette fois.Certains disent que l'OPERA aurait dû faire plus de vérifications, mais au moment où le vote de défiance a été adopté, une année entière s'était déjà écoulée. De combien de mois avaient-ils besoin pour faire cela? Leur fidélité à la station-service doit-elle être obligée d'attendre que le problème soit trouvé? Non, ils suivraient alors le concept absurde selon lequel les scientifiques doivent suivre un certain credo scientifique.

Peut-être que la déception exprimée par les résultats du vote indique à quel point les scientifiques, en particulier les expérimentateurs, veulent trouver quelque chose de nouveau, quelque chose d'imprévisible et à quel point ils sont en colère lorsque cette opportunité disparaît.

J'ai demandé à Eredato d'évaluer toute l'expérience acquise. «La société aime tout diviser en noir et blanc», répond-il. Mais en science, les réponses ne sont pas toujours aussi claires. "Nous devons être prudents, car si nous créons l'impression que la science ne dit jamais" oui "ou" non ", dit toujours" peut-être ", alors les gens diront" Eh bien, la science n'a pas besoin de faire confiance. " La question de transmettre ce message est très délicate. » La plupart des journalistes qui écrivent sur la science ne sont pas des scientifiques. "Ils traitent les informations scientifiques ainsi que les meurtres ou les enlèvements." Concernant son rôle personnellement? «J'ai appris que nous jouons tous notre rôle dans ce domaine.»

Aujourd'hui, Ereditato est directeur du Laboratoire de physique des hautes énergies de l'Université de Berne et continue de participer à diverses expériences avec des neutrinos. L'expérience OPERA, quant à elle, continue de rechercher les oscillations des neutrinos et de collecter les neutrinos tau sous différentes orientations. Jusqu'à présent, ils en ont marqué quatre.

Ransom Stevens est physicien, écrivain, technologue, journaliste. Son premier livre scientifique populaire, «Le cerveau gauche parle, mais le cerveau droit rit: un irrévérencieux, rit: description irrespectueuse mais précise des vues neurobiologiques sur le talent, les compétences, l'innovation, la découverte, l'art et la science» (mais précis!) sur les neurosciences du talent et des compétences, de l'innovation et de la découverte et de l'art et de la science] a été publié en 2015.