Dados ameaçam quebrar a física

O que fazer com um cientista racional com um resultado impossível?

Antonio Eredito insiste que a entrevista com ele seja realizada no Skype e que as duas câmeras estejam ligadas. Este é um homem um pouco mais velho que a meia-idade, seus cabelos grisalhos são emoldurados por olhos bem abertos e um queixo esculpido. Ele sorri com facilidade e seus olhos atraem a atenção, como a luz de um holofote. O sotaque italiano acrescenta vogais extras no final das palavras faladas.

Conversamos 15 minutos antes de ele concordar em dar uma entrevista registrada. Ele diz que não quer incentivar jornalistas que possam distorcer suas palavras e produzir uma história sensacional e não confiável. Ele concordou em conversar comigo no Skype, porque eu não sou jornalista, mas físico e, ao mesmo tempo, autor que passou 13 anos nas trincheiras da física experimental de partículas. No final, ele diz: “Ok, olhei nos seus olhos, confio em você. Talvez este seja o meu problema. Eu posso confiar demais, mas confio em você. Ele ri e se recosta na cadeira, estendendo os braços para os lados.

Eredito é o ex-líder de 160 físicos de 13 países que compõem a colaboração OPERA, projetada para estudar a física de neutrinos. Foi proposta a sua primeira montagem em 2000, e a Eredato conseguiu de 2008 a 2012. Então, no inverno de 2011, algo impossível pareceu acontecer. "A pessoa que estudou os dados me liga", diz Eredato na tela do meu computador. - Ele diz: "Eu vejo algo estranho aqui." Ele viu evidências de que os neutrinos atravessavam 730 km da crosta terrestre, da Suíça à Itália - e deveriam fazê-lo - a uma velocidade tão alta que chegaram ao seu destino 60,7 ns mais rápido que a luz poderia percorrer uma distância tão grande. espaço - o que não deveria ser.



Nos últimos cem anos da observação de Einstein, segundo a qual objetos massivos não podem se mover mais rápido que a velocidade da luz no vácuo, incorporada à sua teoria especial da relatividade, tornaram-se a pedra angular da nossa compreensão do universo. Se as medidas do OPERA estivessem corretas, marcariam a primeira violação dessa teoria. Seria uma bomba atômica no coração da nossa compreensão do universo.

Pergunto a Eredato se ele pensou que isso deveria ser um erro. "Não acho que seria honesto dizer isso", ele me diz. "Por assim dizer, distorceremos nossa análise." Então, quando descobrimos algo tão incrível, a primeira reação foi: vamos descobrir por que isso é verdade. ”

Wolfgang Pauli postulou a existência de neutrinos em 1930 para resolver um problema simples. Quando os núcleos experimentam decaimento beta emitindo um elétron ou pósitron, o equivalente a um elétron da antimatéria, algo está faltando. Ou algo invisível é emitido com o elétron / pósitron, ou a energia desaparece. Como em nenhum experimento reproduzível em que algo voou, caiu, se moveu, colidiu, deteriorou ou não mudou, o desaparecimento de energia não foi detectado, Pauli propôs um neutrino, uma partícula invisível, com todas as propriedades necessárias para provocar a deterioração beta de acordo com a primeira lei da termodinâmica. Por invisibilidade das partículas, quero dizer que, quando os neutrinos passam pela matéria, eles raramente deixam vestígios. É tão raro que demorou quase 30 anos para encontrar evidências físicas de sua presença em um experimento (conduzido por Frederick Raines e Clyde Cowan ).

Hoje, os neutrinos são parte integrante da tabela periódica do Modelo Padrão em física de partículas. Aqui você encontrará as partículas que compõem o assunto, listadas em pares e divididas em três categorias: neutrinos de elétrons são emparelhados com elétrons, neutrinos de múon são emparelhados com múons e neutrinos de tau são exatamente iguais a tau. Os neutrinos podem se transformar de uma espécie para outra. Por exemplo, um neutrino de elétron pode oscilar em um múon e um múon pode se transformar em uma tau. "As oscilações de neutrinos são os primeiros sinais da física além do modelo padrão", diz Eredato. E com uma risada, ele acrescenta: "É por isso que eu gosto de neutrinos".

O que nos leva de volta ao experimento OPERA. Com sua idéia, já havia muitas evidências de oscilações de neutrinos, mas todas elas vieram de experimentos com desaparecimento. Ou seja, a evidência era de que o elétron ou o múon neutrino desapareceram. Foram necessárias experiências com a aparência - esse era o objetivo do OPERA. A idéia era que o CERN, a Organização Européia de Pesquisa Nuclear em Genebra, criasse um feixe de neutrinos de múons voltados para um detector enterrado nas profundezas da cordilheira italiana Gran Sasso d'Italia, a 730 km da fonte. Se neutrinos de tau são detectados lá, ocorrem oscilações de neutrinos. De acordo com a tradição dos especialistas em física de partículas em fornecer siglas chamativas para experimentos, o projeto ficou conhecido como OPERA (Projeto de Oscilação com Aparelho de Rastreamento de Emulsão) [projeto para o estudo de oscilações usando um aparelho de rastreamento de emulsão].

A medição da velocidade do neutrino durante a viagem do CNGS (CERN Neutrinos para Gran Sasso) [Neutrino do CERN para Gran Sasso] até o detector OPERA não foi mencionada na proposta. Mas em fevereiro de 2011, o projeto OPERA quase se concentrou nisso.


Detector OPERA usa milhares de tijolos de filmes fotográficos

"Acho que, como qualquer cientista, desde o começo eu era muito, muito, muito cético", diz Eredato. "Você faz uma lista de verificações: um temporizador, um receptor, GPS, um transmissor do receptor ao detector ... Verifique tudo." Algumas opções foram descartadas muito rapidamente, outras demoraram. Você não pode interromper os experimentos no CERN. Enquanto isso, Eredato perseguiu sua equipe com força. " Você não pode imaginar como eu trabalhei com meus colegas naquela época - verifique, verifique, faça, repita, repita novamente - fizemos isso da primavera até o dia 23 de setembro! ”

A equipe verificou e tentou todas as opções de software, hardware, teorias que eles poderiam apresentar, a cada passo, cada bug corrigido, todo conhecimento adquirido, evidência de que os neutrinos se movendo mais rápido que a luz permaneciam firmes durante todo o experimento. E então o inevitável aconteceu e as notícias sobre os dados vazaram. Pessoas que não estavam envolvidas no experimento começaram a gerar rumores sobre uma violação da teoria da relatividade, sobre um resultado que chocaria os fundamentos da física de uma maneira que eles não eram abalados desde 1900, quando Max Planck descobriu a física quântica. Os rumores “se espalham à velocidade da luz”, diz Eredato.

"E então o que acontece?" Você decide substituir o capítulo sobre relações públicas. O que dizer: nenhum comentário? Mas todo mundo vai culpar você, todos os jornalistas vão dizer: “Ah, então você está escondendo alguma coisa. Queremos saber o que está acontecendo. Pagamos impostos e apoiamos você, temos o direito de saber! "Ou você faz uma declaração". Numa voz ameaçadora, ele diz: "Descobri neutrinos superluzes".

Nesse caso, não foi Eredato quem decidiu tudo. Grandes grupos experimentais como o OPERA têm instruções para processar resultados controversos e votam para anunciar os resultados ao público. Apenas algumas pessoas votaram contra o anúncio. "E eu os respeito muito, e no final eles estavam certos, e é por isso que eles têm respeito."

A OPERA divulgou os resultados em 23 de setembro de 2011 em um workshop especial do CERN. A equipe não alegou ter descoberto uma violação da teoria da relatividade. Em vez disso, frases como "evidência" ou "descoberta" foram usadas e os dados foram chamados de "anomalia". Mas essa nuance chave foi perdida na sensação de interação humana. Embora a manchete publicada pelo The New York Times incluísse uma cláusula: "Pequenos neutrinos podem ter ultrapassado o limite de velocidade cósmica", não estava em um artigo do The Daily Telegraph ("Cientistas do CERN quebram a velocidade da luz") ou do The Guardian ("Os cientistas afirmam detectar partículas se movendo mais rápido que a luz") ou na Scientific American ("Partículas se movendo mais rápido que a luz foram detectadas").

A comunidade física recebeu as notícias com ceticismo e até cinismo. Nenhum físico profissional praticante estava pronto para abandonar o STO, assim como Wolfgang Pauli não estava pronto para abandonar a lei de conservação de energia na década de 1930. Mas ainda assim, e se? Desde a confirmação dos dogmas-chave do Modelo Padrão nos experimentos de UA1 e UA2 no CERN em 1983, todas as descobertas na física de partículas (exceto oscilações de neutrinos) adicionaram mais um tique na caixa desse Modelo Padrão irritantemente sagrado. Como os físicos de partículas poderiam resistir à tentação de esperar que qualquer coisa, qualquer coisa, pudesse explodir nesta área durante sua vida?

Até Eredato esperava um pouco. "Você vai ao pódio em uma conferência científica, em um seminário e diz: Pessoal, tenho algo aqui que não entendo. Por favor, ajude-nos a entender isso. ” Ele faz uma pausa e assente, mais para si mesmo do que para mim. “Acho que é uma boa escolha, modéstia. E, em geral, todos sonhavam que estávamos certos. Isso é tudo.

A física épica do avanço estava em uma direção e a vergonha potencial na outra. O OPERA deve esperar? Quantos meses mais você poderia analisar e reanalisar o resultado? Inclinando-se para mim, apontando-me através da câmera, Eredato explica por que o cientista não pode ignorar a dimensão, mesmo que pareça absurda. “Isso não pode ser morto. A natureza fala conosco não através de teorias, mas através de resultados experimentais. Os piores dados são melhores que a melhor teoria. Se você está procurando resultados razoáveis, nunca fará descobertas ou, pelo menos, não fará descobertas inesperadas. Você pode fazer - termos conflitantes - a descoberta esperada ".

Uma coisa é clara: o anúncio forneceu à OPERA a ajuda que ela esperava. Alguns dias depois, com a ajuda dos operadores de vigas do CNGS, eles começaram a desenvolver uma nova abordagem para as medições. Na análise original, foi necessário o uso de uma técnica estatística para determinar o tempo de chegada do neutrino, uma vez que o feixe divergiu. A nova abordagem era gerar neutrinos em lotes densos para que eles chegassem ao detector juntos, para que sua hora de chegada fosse muito mais fácil de determinar.

Foram necessários dois meses para reconfigurar o feixe de neutrinos, concluir o experimento e analisar os resultados - sem precedentes, rápidos para um experimento tão complexo.

E as medidas do excesso da velocidade da luz não foram a lugar algum. "E então eu fiquei com medo", diz Eredato. - eu disse: "Oh meu Deus." E não apenas eu, muitas pessoas que criticamos muito isso, não pudemos dizer nada diante desse resultado. ”


Cientista examina o detector OPERA no Laboratório Nacional Gran Sasso

Os experimentos de física de partículas consistem em detectores complexos do tamanho de casas e aceleradores de partículas. O desenvolvimento e a construção começam muitos anos antes que os primeiros resultados sejam obtidos. Quando o detector e o colisor já estão funcionando, os pesquisadores estão desenvolvendo um software para analisar e filtrar dados e para separar o sinal e o ruído, raro e exótico, da música usual e chata, do ruído. Eles usam sua versão da análise cega, semelhante ao teste duplo-cego em biomedicina, exigindo uma "caixa fechada com um sinal". Em vez de testar suas técnicas em dados reais, eles as testam em dados simulados projetados para reproduzir a resposta do equipamento detector a processos conhecidos. Como resultado, quando "abrem a caixa", suas medidas não devem ser distorcidas por algum desejo consciente ou inconsciente de fazer uma descoberta.

No entanto, os dados de neutrinos do OPERA mais rapidamente que a luz permaneceram no local. O próximo passo foi obter confirmação independente de uma fonte externa ao OPERA, como é habitual. Por exemplo, uma partícula de Higgs foi observada em experimentos com ATLAS e CMS. Mas não houve outros experimentos que pudessem confirmar ou refutar o que estava acontecendo no OPERA por pelo menos vários anos. No entanto, com base em Gran Sasso, houve outro experimento, o Large Volume Detector (LVD), que, pelo menos, podia verificar o sistema de tempo no OPERA. A idéia era garantir que os relógios de ambos os experimentos fossem sincronizados, comparando os tempos de chegada dos raios cósmicos dos múons nos dois detectores.

“Foi um experimento realmente incrível”, diz Eredato. Olhando para os dados obtidos no OPERA ao longo de cinco anos, os pesquisadores descobriram o período em que a medição do tempo no OPERA trabalhou com uma mudança de 73 ns. Então, outro erro foi descoberto no cronômetro que afetou o experimento com o feixe densificado: a frequência do relógio no OPERA não estava sincronizada com a frequência dos feixes. A combinação desses dois problemas compensou completamente a liderança de 60 ns registrada na chegada dos neutrinos do múon com o CNGS.

A fonte dos problemas do cronômetro era um cabo de fibra óptica que transmitia os sinais de tempo do GPS da superfície de Gran Sasso a uma profundidade de 8,3 km, onde estava localizado o detector OPERA. O cabo tinha dois problemas complicados: primeiro, estava mal conectado, de modo que se podia esperar que o receptor não recebesse sinais dele. Se o receptor vê a luz, ele deve iniciar a corrida de neutrinos até o detector. Se o receptor não vir a luz, não haverá partida. Mas, como resultado, tudo deu errado. Em vez disso, esse receptor precisava de cerca de 73 ns para obter energia luminosa suficiente para iniciar o neutrino e ativar a eletrônica. Como resultado, a eletrônica marcou o início dos neutrinos 73 ns depois que eles deixaram a linha de partida no CERN. “Eu poderia esperar que o sinal estivesse lá ou não. Mas não há sinais de atraso ”, diz Eredato. Em segundo lugar, o conector do cabo parece ter sido deslocado. “O cabo estava normalmente conectado cerca de uma semana antes de começarmos a coletar dados e estava conectado normalmente quando verificamos tudo novamente”, diz Eredato. "A importância é que, entre esses eventos, quando coletamos dados sobre a velocidade de neutrinos, o cabo estava preso de alguma forma errado".

Após encontrar e corrigir erros, as medições de velocidade de neutrinos no OPERA são as mais precisas do mundo. E eles combinam perfeitamente com o SRT Einstein. A fraca esperança de uma nova física não prevista pelo venerável Modelo Padrão morreu. Mas o trabalho da equipe do OPERA, que encontrou o único cabo solto entre os milhares de canais elétricos do equipamento experimental, foi incrível. "Estou orgulhoso", diz Eredato. - Serei honesto, sempre pensei que haveria uma solução entre fenômenos estranhos. Efeitos colaterais, de modo que ninguém vai pensar. "Eu nunca pensaria em cabo, nunca." E a colaboração também não exagerou os dados e não fez declarações não suportadas. Eles não fizeram nenhuma declaração e conduziram a investigação em estreita colaboração com outras equipes.

No entanto, ficou claro que alguém estava enganado em algum lugar. Talvez tenha sido a pessoa que conectou o cabo, ou quem projetou o receptor, ou outra pessoa. Em março de 2012, quando a poeira diminuiu, a colaboração do OPERA realizou outra votação para determinar se os participantes estavam confiantes nos líderes do projeto. Cada organização participante do projeto teve um voto. A votação terminou com um resultado de 16 contra 13 em favor da expressão de desconfiança, vários eleitores se abstiveram. Isso estava longe dos 2/3 dos votos exigidos para serem considerados maioria e impeachment da liderança, mas o suficiente para fazer a mensagem ser ouvida. A líder do OPERA, Eredato e a coordenadora do experimento, Daria Autiero, renunciaram.

A carta de demissão de Eredato afirmou claramente que ele estava saindo para o bem da equipe: “como resultado do grande interesse da mídia, a colaboração do OPERA estava sob pressão anômala e, em certo sentido, variável. E a pressão externa penetra rapidamente no sistema social de 150 pessoas, o que leva a resultados potencialmente perigosos, ao perigo de perder de vista os objetivos científicos. Isso é muito risco. Para evitar esse risco, as opiniões dos indivíduos devem ser sacrificadas. ”

Eredato fez algo de ruim? As pessoas estão erradas. Passei 13 anos trabalhando em experimentos no SLAC, Fermilab, Cornell University, CERN e até mesmo no supercollider supercondutor há muito morto. Talvez eu possa perdoar erros com mais facilidade do que as pessoas que nunca tiveram que rastejar pelo servidor, conectando e conectando cabos. Os conectores falham por várias razões e, se houver milhares de canais, podemos dizer com segurança que nem um único experimento científico passou sem falhar em alguns conectores. Eles geralmente são fáceis de encontrar, mas não desta vez. Alguns dizem que o OPERA deveria ter feito mais verificações, mas quando o voto de confiança não foi aprovado, um ano inteiro já havia passado. Quantos meses mais eles precisaram para fazer isso? Sua lealdade à estação de serviço deve ser forçada a esperar até que o problema seja encontrado? Não, eles seguiriam o conceito absurdo de que os cientistas devem seguir um certo credo científico.

Talvez a decepção expressa pelos resultados da votação indique quanto os cientistas, especialmente os experimentadores, querem encontrar algo novo, algo imprevisível e quão zangados ficam quando essa oportunidade desaparece.

Pedi a Eredato para avaliar toda a experiência adquirida. "A sociedade gosta de dividir tudo em preto e branco", ele responde.Mas na ciência, as respostas nem sempre são tão claras. "Precisamos ter cuidado, porque se criarmos a impressão de que a ciência nunca diz" sim "ou" não ", sempre diz" talvez ", então as pessoas dirão" Bem, então a ciência não precisa ser confiável ". A questão de entregar esta mensagem é muito delicada. ” A maioria dos jornalistas que escrevem sobre ciência não são cientistas. "Eles tratam informações científicas, bem como assassinatos ou seqüestros". Em relação ao seu papel pessoalmente? "Aprendi que todos desempenhamos nosso papel nessa área."

Hoje, Ereditato é o diretor do Laboratório de Física de Alta Energia da Universidade de Berna e continua participando de vários experimentos com neutrinos. Enquanto isso, o experimento OPERA continua a procurar oscilações de neutrinos e coletar neutrinos de tau sob orientação diferente. Até agora, eles marcaram quatro deles.

Ransom Stevens é físico, escritor, tecnólogo e jornalista. Seu primeiro livro de ciência popular, “O Cérebro Esquerdo Fala, mas o Cérebro Direito Ri: um irreverente (mas preciso!), veja a neurociência de talento e habilidade, inovação e descoberta e arte e ciência] foi lançada em 2015.