Data mengancam memecah fisika

Apa yang harus dilakukan terhadap seorang ilmuwan rasional dengan hasil yang mustahil?

Antonio Eredito menegaskan bahwa wawancara dengannya dilakukan di Skype, dan kedua kamera dihidupkan. Ini adalah pria yang sedikit lebih tua dari usia pertengahan, rambutnya dengan rambut abu-abu dibingkai oleh mata terbuka lebar dan dagu yang dipahat. Dia mudah tersenyum, dan matanya menarik perhatian, seperti cahaya lampu sorot. Aksen Italia menambahkan vokal tambahan di akhir kata yang diucapkan.

Kami berbicara 15 menit sebelum dia setuju untuk memberikan wawancara. Dia mengatakan bahwa dia tidak ingin mendorong jurnalis yang dapat mengubah kata-katanya dan menghasilkan cerita yang sensasional dan tidak dapat diandalkan. Dia setuju untuk berbicara dengan saya di Skype karena saya bukan seorang jurnalis, tetapi seorang fisikawan dan pada saat yang sama seorang penulis yang menghabiskan 13 tahun di parit fisika partikel eksperimental. Pada akhirnya, dia berkata: “Oke, aku melihat ke matamu, aku percaya padamu. Mungkin ini masalah saya. Aku mungkin terlalu percaya, tapi aku percaya padamu. ” Dia tertawa dan bersandar di kursi, mengulurkan tangannya ke samping.

Eredito adalah mantan pemimpin 160 fisikawan dari 13 negara yang membentuk kolaborasi OPERA, yang dirancang untuk mempelajari fisika neutrino. Ini pertama kali diusulkan untuk dirakit pada tahun 2000, dan Eredato mengelolanya dari 2008 hingga 2012. Kemudian pada musim dingin tahun 2011, sesuatu yang mustahil tampaknya terjadi. "Orang yang mempelajari data memanggil saya," kata Eredato dari layar komputer saya. - Dia berkata: "Saya melihat sesuatu yang aneh di sini." Dia melihat bukti bahwa neutrino melewati 730 km dari kerak bumi, dari Swiss ke Italia - dan mereka harus melakukannya - dengan kecepatan tinggi sehingga mereka tiba di tujuan 60,7 n lebih cepat daripada cahaya yang dapat menempuh jarak sejauh itu di ruang - yang seharusnya tidak.



Selama seratus tahun terakhir pengamatan Einstein, yang menyatakan bahwa benda-benda besar tidak dapat bergerak lebih cepat daripada kecepatan cahaya dalam ruang hampa, yang dibangun dalam teori relativitas khususnya, telah menjadi landasan pemahaman kita tentang alam semesta. Jika pengukuran OPERA benar, mereka akan menandai pelanggaran pertama teori ini. Itu akan menjadi bom atom di jantung pemahaman kita tentang alam semesta.

Saya bertanya kepada Eredato apakah dia berpikir bahwa ini adalah kesalahan. "Saya tidak berpikir itu jujur ​​untuk mengatakan itu," katanya kepada saya. "Jadi untuk berbicara, kami akan mengubah analisis kami." Jadi ketika kami mendapat petunjuk tentang sesuatu yang sangat luar biasa, reaksi pertama adalah: mari kita cari tahu mengapa ini terjadi. ”

Wolfgang Pauli mempostulatkan keberadaan neutrino pada tahun 1930 untuk memecahkan masalah sederhana. Ketika inti mengalami peluruhan beta dengan memancarkan elektron atau positron, setara dengan elektron dari antimateri, ada sesuatu yang hilang. Entah sesuatu yang tak terlihat dipancarkan dengan elektron / positron, atau energinya menghilang. Karena tidak ada percobaan yang dapat direproduksi di mana segala sesuatu terbang, jatuh, bergerak, bertabrakan, membusuk atau tidak berubah, hilangnya energi tidak terdeteksi, Pauli mengusulkan neutrino, sebuah partikel yang tidak terlihat, dengan semua sifat yang diperlukan untuk menghasilkan peluruhan beta sesuai dengan hukum pertama termodinamika. Dengan partikel tembus pandang, maksud saya bahwa ketika neutrino melewati materi, mereka jarang meninggalkan jejak. Sangat jarang sehingga butuh hampir 30 tahun untuk menemukan bukti fisik kehadiran mereka dalam sebuah eksperimen (dilakukan oleh Frederick Raines dan Clyde Cowan ).

Saat ini, neutrino merupakan bagian integral dari tabel periodik Model Standar dalam fisika partikel. Di sini Anda akan menemukan partikel-partikel yang menyusun materi, terdaftar berpasangan dan dibagi menjadi tiga kategori: neutrino elektron dipasangkan dengan elektron, neutrino muon dipasangkan dengan muon, dan tau neutrino persis sama dengan tau. Neutrino dapat berubah dari satu spesies ke spesies lainnya. Misalnya, elektron neutrino dapat berosilasi menjadi muon, dan muon dapat berubah menjadi tau. " Osilasi Neutrino adalah tanda-tanda pertama fisika melampaui Model Standar," kata Eredato kepada saya. Dan sambil tertawa, dia menambahkan: "Itu sebabnya saya suka neutrino."

Yang membawa kita kembali ke percobaan OPERA. Dengan idenya, sudah ada banyak bukti osilasi neutrino, tetapi semuanya berasal dari eksperimen dengan penghilangan. Yaitu, buktinya bahwa elektron atau muon neutrino menghilang. Diperlukan eksperimen dengan penampilan - ini adalah tujuan OPERA. Idenya adalah bahwa CERN, Organisasi Eropa untuk Penelitian Nuklir di Jenewa, akan membuat seberkas muon neutrino yang ditujukan pada detektor yang terkubur jauh di bawah pegunungan Italia Gran Sasso d'Italia, 730 km dari sumbernya. Jika tau neutrino terdeteksi di sana, maka osilasi neutrino terjadi. Sesuai dengan tradisi para ahli fisika partikel untuk memberikan akronim yang mencolok pada eksperimen, proyek ini dikenal sebagai OPERA (Proyek Osilasi dengan Aparatus Pelacakan Emulsi) [proyek untuk studi osilasi menggunakan alat pelacak emulsi].

Pengukuran kecepatan neutrino selama perjalanan mereka dari CNGS (CERN Neutrinos ke Gran Sasso) [Neutrino dari CERN ke Gran Sasso] ke detektor OPERA tidak disebutkan dalam proposal. Tetapi pada bulan Februari 2011, proyek OPERA hampir sepenuhnya berfokus pada hal itu.


Detektor OPERA Menggunakan Ribuan Batu Bata Film Fotografi

"Saya pikir, seperti para ilmuwan lainnya, sejak awal saya sangat, sangat, sangat skeptis," kata Eredato. "Anda membuat daftar untuk cek: timer, penerima, GPS, pemancar dari penerima ke detektor ... Periksa semuanya." Beberapa opsi diberhentikan dengan sangat cepat, yang lain memakan waktu. Anda tidak dapat menghentikan eksperimen di CERN. Sementara itu, Eredato mengejar timnya dengan keras. " Anda tidak dapat membayangkan bagaimana saya bekerja dengan kolega saya pada waktu itu - periksa, periksa, lakukan, ulangi, ulangi lagi - kami melakukan ini dari musim semi hingga 23 September! "

Tim memeriksa dan mencoba semua opsi perangkat lunak, perangkat keras, teori yang dapat mereka kemukakan, setiap langkah, setiap bug diperbaiki, setiap bit pengetahuan yang diperoleh, bukti bahwa neutrino bergerak lebih cepat daripada cahaya berdiri dengan kuat di seluruh percobaan. Dan kemudian hal yang tak terhindarkan terjadi dan berita tentang data bocor. Orang-orang yang tidak terlibat dalam percobaan mulai menghasilkan desas-desus tentang pelanggaran teori relativitas, tentang hasil yang akan mengejutkan dasar-dasar fisika dengan cara yang belum terguncang sejak 1900, ketika Max Planck menemukan fisika kuantum. Rumor "menyebar dengan kecepatan cahaya" kata Eredato padaku.

"Lalu apa yang terjadi?" Anda memutuskan untuk menggantikan bab tentang hubungan masyarakat. Apa yang harus dikatakan: tidak ada komentar? Tetapi kemudian semua orang akan menyalahkan Anda, semua wartawan akan berkata: "Ah, jadi Anda menyembunyikan sesuatu. Kami ingin tahu apa yang sedang terjadi. Kami membayar pajak dan mendukung Anda, kami berhak tahu! "Atau Anda membuat pernyataan." Dengan suara tak menyenangkan, dia berkata, "Saya menemukan neutrino superlight."

Dalam hal ini, bukan Eredato yang memutuskan segalanya. Grup eksperimental besar seperti OPERA memiliki instruksi untuk memproses hasil kontroversial dan memilih untuk mengumumkan hasilnya kepada publik. Hanya beberapa orang yang menentang pengumuman itu. "Dan saya sangat menghormati mereka, dan pada akhirnya mereka benar, itulah sebabnya mereka menghormati."

OPERA merilis hasilnya pada 23 September 2011 di lokakarya khusus CERN. Tim tidak mengklaim telah menemukan pelanggaran terhadap teori relativitas. Sebaliknya, frasa seperti "bukti" atau "penemuan" digunakan, dan data itu disebut "anomali". Tetapi nuansa kunci ini hilang dalam sensasi interaksi manusia. Meskipun tajuk utama yang diterbitkan oleh The New York Times memasukkan klausa: "Tiny neutrino mungkin telah mengalahkan batas kecepatan kosmik," itu tidak ada dalam artikel di The Daily Telegraph ("Ilmuwan CERN Menghancurkan Kecepatan Cahaya") atau The Guardian ("Para ilmuwan mengklaim mendeteksi partikel yang bergerak lebih cepat dari cahaya"), atau di Scientific American ("Partikel yang bergerak lebih cepat daripada cahaya telah terdeteksi").

Komunitas fisik menerima berita itu dengan skeptis, dan bahkan sinis. Tidak ada fisikawan profesional yang berlatih yang siap untuk meninggalkan STO, sama seperti Wolfgang Pauli tidak siap untuk meninggalkan hukum kekekalan energi pada 1930-an. Tapi tetap saja, bagaimana jika? Sejak konfirmasi dogma-dogma utama dari Model Standar dalam percobaan UA1 dan UA2 di CERN pada tahun 1983, setiap penemuan dalam fisika partikel (kecuali untuk osilasi neutrino) telah menambahkan satu lagi centang pada perbendaharaan Model Standar yang mengganggu dan suci ini. Bagaimana mungkin fisikawan partikel menahan godaan untuk berharap bahwa apa pun, apa saja, bisa meledak di area ini selama masa hidup mereka?

Bahkan Eredato berharap sedikit. “Anda naik ke podium di konferensi ilmiah, di sebuah seminar, dan berkata: Guys, saya punya sesuatu di sini yang saya tidak mengerti. Tolong bantu kami memahami ini. " Dia berhenti dan mengangguk, lebih untuk dirinya sendiri daripada untukku. “Saya pikir ini adalah pilihan yang baik, kesopanan. Dan secara umum, semua orang bermimpi bahwa kami benar. Itu saja. ”

Fisika terobosan epik terletak di satu arah, dan potensi rasa malu di sisi lain. Haruskah OPERA menunggu? Berapa bulan lagi Anda bisa menganalisis dan menganalisis kembali hasilnya? Mencondongkan tubuh ke arah saya, mengarahkan saya melalui kamera, Eredato menjelaskan mengapa ilmuwan tidak dapat mengabaikan dimensi, bahkan jika itu tampak tidak masuk akal. "Ini tidak bisa dibunuh. Alam berbicara kepada kita bukan melalui teori, tetapi melalui hasil eksperimen. Data terburuk lebih baik daripada teori terbaik. Jika Anda mencari hasil yang masuk akal, Anda tidak akan pernah membuat penemuan, atau setidaknya tidak membuat penemuan yang tidak terduga. Anda dapat membuat - istilah yang bertentangan - penemuan yang diharapkan. "

Satu hal yang jelas: pengumuman itu memberi OPERA bantuan yang dia harapkan. Beberapa hari kemudian, dengan bantuan operator sinar CNGS, mereka mulai mengembangkan pendekatan baru untuk pengukuran. Dalam analisis asli, perlu menggunakan teknik statistik untuk menentukan waktu kedatangan neutrino, karena sinar menyimpang. Pendekatan baru adalah untuk menghasilkan neutrino dalam batch padat sehingga mereka akan datang ke detektor bersama-sama, sehingga waktu kedatangan mereka akan jauh lebih mudah untuk ditentukan.

Butuh waktu dua bulan untuk mengkonfigurasi ulang berkas neutrino, menyelesaikan percobaan, dan menganalisis hasilnya - sangat cepat untuk percobaan yang begitu kompleks.

Dan pengukuran kelebihan kecepatan cahaya belum kemana-mana. "Dan kemudian aku takut," kata Eredato. - Saya berkata: "Ya Tuhan." Dan bukan hanya saya, banyak orang yang sangat kritis terhadap hal ini, tidak dapat mengatakan apa-apa dalam menghadapi hasil ini. ”


Ilmuwan memeriksa detektor OPERA di Laboratorium Nasional Gran Sasso

Eksperimen fisika partikel terdiri dari detektor berukuran rumah yang kompleks dan akselerator partikel. Pengembangan dan konstruksi dimulai bertahun-tahun sebelum hasil pertama diperoleh. Pada saat detektor dan collider sudah bekerja, para peneliti mengembangkan perangkat lunak untuk menganalisis dan menyaring data, dan untuk memisahkan sinyal dan kebisingan, musik yang langka dan eksotis dari musik yang biasa dan membosankan, dari kebisingan. Mereka menggunakan versi analisis buta mereka, mirip dengan pengujian double-blind dalam biomedis, yang membutuhkan "kotak tertutup dengan sinyal". Alih-alih menguji teknik mereka pada data nyata, mereka mengujinya pada data simulasi yang dirancang untuk mereproduksi respons peralatan detektor untuk proses yang diketahui. Akibatnya, ketika mereka "membuka kotak," pengukuran mereka tidak boleh terdistorsi oleh keinginan sadar atau tidak sadar untuk membuat penemuan.

Namun, data neutrino OPERA lebih cepat dari cahaya tetap ada. Langkah selanjutnya adalah mendapatkan konfirmasi independen dari sumber di luar OPERA, seperti biasa. Sebagai contoh, partikel Higgs diamati pada percobaan ATLAS dan CMS. Tetapi tidak ada percobaan lain yang dapat mengkonfirmasi atau membantah apa yang terjadi pada OPERA selama setidaknya beberapa tahun. Namun, atas dasar Gran Sasso, ada percobaan lain, Large Volume Detector (LVD), yang, setidaknya, dapat memeriksa sistem waktu pada OPERA. Idenya adalah untuk memastikan bahwa jam dari kedua percobaan disinkronkan dengan membandingkan waktu kedatangan sinar kosmik dari muon di kedua detektor.

“Itu adalah eksperimen yang sangat luar biasa,” kata Eredato kepada saya. Melihat kembali data yang diperoleh di OPERA selama lima tahun, para peneliti menemukan periode di mana pengukuran waktu di OPERA bekerja dengan pergeseran 73 ns. Kemudian, kesalahan lain ditemukan pada penghitung waktu yang mempengaruhi percobaan dengan berkas yang dipadatkan: frekuensi jam pada OPERA tidak disinkronkan dengan frekuensi balok. Kombinasi dari dua masalah ini sepenuhnya dikompensasi untuk lead 60 ns yang dicatat pada kedatangan muon neutrino dengan CNGS.

Sumber masalah timer adalah kabel serat optik yang mentransmisikan sinyal waktu GPS dari permukaan Gran Sasso ke kedalaman 8,3 km, di mana detektor OPERA berada. Kabel memiliki dua masalah rumit: pertama, itu terhubung dengan buruk, sehingga orang bisa berharap penerima tidak menerima sinyal sama sekali. Jika penerima melihat cahaya, ia harus memulai perlombaan neutrino ke detektor. Jika penerima tidak melihat cahaya, seharusnya tidak ada awal. Tetapi sebagai hasilnya, semuanya ternyata salah. Sebagai gantinya, receiver ini membutuhkan sekitar 73 ns untuk mendapatkan energi cahaya yang cukup untuk memulai neutrino dan mengaktifkan elektronik. Akibatnya, elektronik menandai dimulainya neutrino 73 ns setelah mereka benar-benar meninggalkan garis start di CERN. "Aku bisa berharap sinyal ada di sana atau tidak. Tetapi tidak ada sinyal yang tertunda, ”kata Eredato. Kedua, konektor kabel sepertinya sudah bergeser. "Kabel itu biasanya dicolokkan sekitar seminggu sebelum kami mulai mengumpulkan data, dan itu dicolokkan secara normal ketika kami memeriksa semuanya lagi," kata Eredato. "Kekejamannya adalah bahwa di antara peristiwa-peristiwa ini, ketika kami mengumpulkan data pada kecepatan neutrino, kabelnya entah bagaimana salah."

Setelah menemukan dan memperbaiki kesalahan, pengukuran kecepatan neutrino pada OPERA adalah yang paling akurat di dunia. Dan mereka cocok dengan Einstein SRT. Harapan samar fisika baru yang tidak diprediksi oleh Model Standar yang terhormat telah mati. Tetapi pekerjaan tim OPERA, yang menemukan satu-satunya kabel longgar di antara ribuan saluran listrik dari peralatan eksperimen, sangat mengagumkan. "Aku bangga," kata Eredato padaku. - Saya akan jujur, saya selalu berpikir bahwa akan ada solusi di antara fenomena aneh. Efek samping, sehingga tidak ada yang akan memikirkan. "Aku tidak akan pernah memikirkan hal seperti kabel, tidak akan pernah." Dan kolaborasi juga tidak melebih-lebihkan data, dan tidak membuat pernyataan yang tidak didukung. Mereka tidak membuat pernyataan sama sekali, dan melakukan investigasi dalam kolaborasi erat dengan tim lain.

Namun, jelas bahwa seseorang keliru di suatu tempat. Mungkin orang yang menghubungkan kabel, atau yang mendesain penerima, atau orang lain. Pada bulan Maret 2012, ketika debu mereda, kolaborasi OPERA mengadakan pemungutan suara lain untuk menentukan apakah para peserta percaya diri dengan para pemimpin proyek. Setiap organisasi yang berpartisipasi dalam proyek memiliki satu suara. Voting berakhir dengan hasil 16 banding 13 untuk mendukung ketidakpercayaan, beberapa pemilih abstain. Ini jauh dari persyaratan 2/3 suara untuk dianggap sebagai mayoritas dan memakzulkan kepemimpinan, tetapi cukup untuk membuat pesan didengar. Pemimpin OPERA Eredato dan koordinator eksperimen Daria Autiero mengundurkan diri.

Surat pengunduran diri Eredato dengan jelas menyatakan bahwa ia akan pergi untuk kebaikan tim: “sebagai hasil dari minat besar dari media, kolaborasi OPERA berada di bawah anomali, dan dalam arti tertentu, tekanan yang berubah. Dan tekanan eksternal dengan cepat meresap ke dalam sistem sosial 150 orang, yang mengarah pada hasil yang berpotensi berbahaya, ke bahaya kehilangan pandangan terhadap tujuan ilmiah. Ini terlalu banyak risiko. Untuk menghindari risiko ini, pendapat individu harus dikorbankan. "

Apakah Eredato melakukan sesuatu yang buruk? Orang salah. Saya menghabiskan 13 tahun mengerjakan eksperimen di SLAC, Fermilab, Cornell University, CERN, dan bahkan di superkonduktor superkonduktor yang sudah lama mati. Mungkin saya bisa memaafkan kesalahan lebih mudah daripada orang yang tidak pernah merangkak di sekitar server, menghubungkan dan menghubungkan kabel. Konektor gagal karena banyak alasan, dan jika ada ribuan saluran, kami dapat dengan yakin mengatakan bahwa tidak ada satu pun percobaan ilmiah yang berlalu tanpa gagal beberapa konektor. Mereka biasanya mudah ditemukan, tetapi kali ini tidak. Ada yang mengatakan bahwa OPERA seharusnya melakukan lebih banyak pemeriksaan, tetapi pada saat pemungutan suara tidak percaya diri berlalu, satu tahun telah berlalu. Berapa bulan lagi yang mereka butuhkan untuk melakukan ini? Haruskah loyalitas mereka ke stasiun layanan dipaksa untuk menunggu sampai masalahnya ditemukan? Tidak, maka mereka akan mengikuti konsep absurd bahwa ilmuwan harus mengikuti kredo ilmiah tertentu.

Mungkin kekecewaan yang diungkapkan oleh hasil pemungutan suara menunjukkan betapa kuatnya para ilmuwan, terutama para peneliti, ingin menemukan sesuatu yang baru, sesuatu yang tidak dapat diprediksi, dan betapa marahnya mereka ketika kesempatan ini hilang.

Saya meminta Eredato untuk mengevaluasi seluruh pengalaman yang didapat. "Masyarakat suka membagi semuanya menjadi hitam dan putih," jawabnya.Namun dalam sains, jawabannya tidak selalu begitu jelas. "Kita perlu berhati-hati, karena jika kita menciptakan kesan bahwa sains tidak pernah mengatakan" ya "atau" tidak ", selalu mengatakan" mungkin ", maka orang akan mengatakan" Baiklah sains tidak perlu dipercaya. " Pertanyaan untuk menyampaikan pesan ini sangat rumit. " Kebanyakan jurnalis yang menulis tentang sains bukanlah ilmuwan. "Mereka memperlakukan informasi ilmiah serta pembunuhan atau penculikan." Mengenai perannya secara pribadi? "Saya belajar bahwa kita semua memainkan peran kita di bidang ini."

Hari ini, Ereditato adalah direktur Laboratorium Fisika Energi Tinggi, Universitas Bern, dan terus berpartisipasi dalam berbagai percobaan dengan neutrino. Eksperimen OPERA, sementara itu, terus memburu osilasi neutrino dan mengumpulkan tau neutrino di bawah panduan yang berbeda. Sejauh ini mereka sudah mencetak empat dari mereka.

Ransom Stevens adalah seorang ahli fisika, penulis, teknologis, jurnalis. Buku sains populer pertamanya, "The Left Brain Speaks, tetapi the Right Brain Laughs: yang kurang sopan, tertawa: deskripsi yang tidak sopan, tetapi akurat tentang pandangan neurobiologis tentang bakat, keterampilan, inovasi, penemuan, seni dan sains" (tapi akurat!) lihat ilmu saraf dari bakat & keterampilan, inovasi & penemuan, dan seni & sains] dirilis pada 2015.