Misura della velocità del neutrino con il rivelatore OPERA nel fascio CNGS

Giovedì 22 settembre 2011, l'esperimento Opera presso la linea sperimentale CNGS (CERN Gran Sasso) ha pubblicato un documento ufficiale che descrive una misura che ha avuto un esito particolarmente sorprendente.

Per la prima volta nella storia della Fisica, infatti, sarebbe stato osservato un fenomeno di spostamento a una velocità superiore a quella della luce.

Notizie di questa portata non possono essere trascurate facilmente. Tuttavia, prima di accettare un evento di questo genere come fatto acclarato, bisogna usare molta prudenza. Non è la prima volta, infatti, che le riviste patinate di divulgazione scientifica strillano novità eclatanti simili a quella attuale ma, in precedenza, si è sempre trattato di manipolazioni giornalistiche improprie basate su fenomeni associabili all'indeterminazione quantistica.

Bisogna sapere infatti che la Fisica Moderna è fondata su due teorie parallele che interagiscono tra di loro. La prima è la teoria della relatività e la seconda è la Meccanica Quantistica. La Meccanica Quantistica è una teoria intrinsecamente incompleta e cosente, in qualche caso¹⁾, di realizzare dei fenomeni illusori, che la stampa, a volte, reinterpreta impropiamente come superamenti della velocità della luce.

Si può capire, quindi, quanto possa essere pericoloso fare didattica con le notizie di cronaca, rischiando letteralmente di essere trascinati in fraintendimenti clamorosi.

• Le notizie del febbraio 2012, poi, hanno aggiunto un nuovo argomento al “Ci dobbiamo credere?” intorno a cui stiamo discutendo. Infatti sono state diffuse voci relative a possibili anomalie riscontrate nell'acquisizione dei dati. Ma non sempre l'informazione giornalistica ha saputo descrivere correttamente lo stato dei fatti. Noi ci prendiamo qui una paginetta separata per discuterne insieme.

Come uscirne, allora?
Ebbene sì, l'unica strada possibile è evitare di acquisire le informazioni esclusivamente in modo indiretto: certi eventi devono essere verificati alla fonte.

Fortunatamente, il gruppo sperimentale Opera che ha eseguito le sperimentazioni distribuisce la propria documentazione ufficiale su un sito in rete che può essere reperito anche dalle pagine di wikipedia.

A partite da sabato 24 settembre, le classi 1A,1B,2B,3A,3B,3C e 4B²⁾ hanno discusso i risultati dell'esperimento Opera al Gran Sasso sulla base di un estratto della letteratura originale.
Quanto segue è cronaca di un insieme di lezioni realmente tenute, in forma di discussione, con la partecipazione degli studenti.

Sì, però. Il documento originale conta 24 pagine, fitte di tecnicismi inavvicinabili per uno studente di scuola superiore.
Ma con un po' di pazienza, selezionando con calma le cose accessibili, qualcosa di interessante si riesce sicuramente a trovare.
Per esempio. Una pubblicazione scientifica possiede una struttura formale rigida molto elementare, che obbliga ad esporre i concetti con parole comprensibili a tutti.

Noi abbiamo scelto di leggere la pagina 1, la pagina 3, la pagina 21 e la pagina 22 del documento.
Ovvero: frontespizio, abstract e conclusioni.
Ecco l'estratto.

Il frontespizio contiene un titolo e una lista di nomi.

Il titolo è in inglese. Ci sarebbe da ridire. Ma la documentazione scientifica ufficiale è sistematicamente depositata in lingua inglese. Per comprenderla, bisogna imparare l'inglese o farsi aiutare a tradurre.

Segue una lista di nomi.
Quanti nomi!! quasi 30 righe. La prima riga contiene 6 nomi.
Il prof. Antonio Ereditato, che tutti i giornali celebrano come spokeman³⁾ dell'esperimento, è citato alla settima riga, in ordine alfabetico rigoroso.

La Fisica, infatti, non è una disciplina assiomatica, fondata su verità depositate e trascritte nei libri di testo, ma vive e si modifica quotidianamente attraverso l'impegno di coloro che la studiano e la discutono liberamente, confrontandosi alla pari.

Abstract significa proposta.

The OPERA neutrino experiment at the underground Gran Sasso Laboratory has measured…

L'esperimento Opera sul neutrino, presso le gallerie del Gran Sasso ha misurato…
Non capisco: che cosa c'è da proporre, se la misura è già stata fatta?

In verità, il percorso burocratico obbligatorio di un esperimento prevede non una, ma due proposte.
Con la prima proposta, cioè con il primo abstract, lo scienziato (o il grupppo di ricerca) si rivolge alla comunità scientifica per ottenere il consenso a realizzare l'esperimento desiderato.
“Ho pensato di fare un nuovo esperimento così e così, sareste disposti a concedermi il tempo e le risorse necessarie per condurlo a termine?”

La seconda proposta, invece, viene sottomessa al termine dell'esperimento. Con essa lo scienziato (o il gruppo di ricerca), si rivolge alla comunità scientifica per chiedere il permesso di presentare i risultati del proprio lavoro.
“Vi ricordate ancora di quell'esperimento che mi avevate affidato, tanti anni fa? Ebbene, è finito. Se avete cinque minuti, mi piacerebbe mostrarvi i risultati che ho raccolto.”

In questo caso ci troviamo di fronte a un abstract del secondo tipo. Cioè alla presentazione di un risultato pronto per l'omologazione. Attualmente, la misura non è stata ancora omologata ma, se la Comunità Scientifica riterrà valido il lavoro prodotto, darà origine a un risultato universalmente riconosciuto.

Al giorno d'oggi capita raramente che un risultato presentato per l'omologazione venga confutato.
Accadde una volta a un astronomo di nome Ticho Brahe⁴⁾, che presentò una misura di parallasse delle stelle fisse. A suo dire, la misura dimostrava che la Terra è ferma al centro dell'Universo e che, di conseguenza, il sole gira attorno ad essa.
Galileo Galilei, che era un suo contemporaneo, confutò il risultato⁵⁾, asserendo che la misura di Ticho Brahe non possedeva requisiti di accuratezza adeguati per apparire significativo.

The OPERA neutrino experiment at the underground Gran Sasso Laboratory has measured the velocity of neutrinos from the CERN CNGS beam over a baseline of about 730 km with much higher accuracy than previous studies conducted with accelerator neutrinos. The measurement is based on high- statistics data taken by OPERA in the years 2009, 2010 and 2011.

L'esperimento Opera sul neutrino presso le gallerie dei laboratori del Gran Sasso ha misurato la velocità dei neutrini provenienti dal fascio CNGS del Cern lungo una linea sperimentale lunga circa 730 Km con un accuratezza molto superiore dei precedenti studi realizzati con acceleratori di neutrini. La misura è fondata sul ricco campione statistico raccolto da OPERA negli anni 2009, 2010 e 2011.

Ecco. Gli scienziati di oggi sono molto più avveduti di Ticho Brahe, e la prima cosa che desiderano porre in chiaro è il valore tecnico del proprio lavoro. È ben difficile, quindi, immaginare che il risultato presente possa venire smentito durante i controlli di omologazione.
Bisogna smentire invece le molte voci giornalistiche che, alla radio e in tv, affermano che la misura di Opera deve essere ripetuta per aumentare la statistica. Ora, sicuramente un risultato così clamoroso darà origine a verifiche ed approfondimenti di ogni genere, ma non per ragioni di tipo statistico. Nelle parti descrittive, infatti, è specificato che l'esperimento ha utilizzato la produzione di circa 100 miliardi di miliardi di protoni⁶⁾ dai quali sono stati generati circa 16 mila eventi osservabili.

Dedicated upgrades of the CNGS timing system and of the OPERA detector, as well as a high precision geodesy campaign for the measurement of the neutrino baseline, allowed reaching comparable systematic and statistical accuracies.

In questo periodo, il documento descrive sommariamente gli elementi tecnici che hanno contribuito a garantire la qualità della misura ottenuta: gli aggiornamenti delle tecnologie di misura di tempo sul fascio del CNGS, gli aggiornamenti al rilevatore OPERA⁷⁾ e le attività di misura geodetiche di alta precisione per il calcolo delle distanze lungo la linea sperimentale.

An early arrival time of CNGS muon neutrinos … was measured.

uff. L'inglese è un po' come il latino. Per saltarne fuori devi cercare il verbo proprio in fondo alla frase. Questo è il periodo più importante di tutto l'articolo. Vale la pena di leggerlo due volte per capirlo a fondo.

An early arrival time of CNGS muon neutrinos with respect to the one computed assuming the speed of light in vacuum of (60.7 ± 6.9 (stat.) ± 7.4 (sys.)) ns was measured.

La misura ha permesso di osservare un arrivo dei neutrini muonici del CNGS anticipato, rispetto a quello che si sarebbe dovuto attendere assumendo un movimento alla velocità della luce nel vuoto, di circa 60 nanosecondi.

Un arrivo anticipato.
Semplicemente un arrivo anticipato. L'interesse e lo stupore emergono proprio dalla semplicità. Non serve avere alcuna conoscenza di Meccanica Quantistica nè di Filosofia della Scienza. I neutrini sono arrivati un po' prima. Tutto qui.
Una misura diretta. Potrebbe capire persino un giornalista.
Al contrario di tanti annunci precedenti, questo davvero sembra un fatto destinato a lasciare un'impronta indelebile nella Storia della scienza.

E cosa sono questi nanosecondi?
Un nanosecondo è un miliardesimo di secondo. Al giorno d'oggi, 60 nanosecondi è un tempo estremamente lungo, per le strumentazioni esistenti, che si può misurare bene. Si pensi ad esempio che un qualunque calcolatore commerciale di basso costo⁸⁾, reperibile al supermercato, possiede una frequenza di clock uguale o superiore a 1.5 GHz. Che vuol dire un miliardo e mezzo di operazioni al secondo.
Tuttavia, considerate le difficoltà oggettive nell'inseguimento di un oggetto sfuggente come un neutrino, è comprensibile che i ricercatori abbiano incontrato più d'una difficoltà. accanto al dato finale, di conseguenza, sono dichiarati anche gli errori della misura.
L'errore è suddiviso in due parti: 6.9 ns di errore statitistico e 7.4 di errore sistematico.

L'errore statistico è determinato da quelle fonti di errore che si presentano in un forma sempre diversa, secondo una distribuzione causale, mentre l'errore sistematico dipende da quegli errori che non possono essere eliminati, ma che si presentano sempre nella stessa forma, come il peso del foglio di carta sulla bilancia degli affettati.
Nel nostro caso, entrambi gli errori sono quasi una decina di volte più piccoli del valore complessivo.Se i neutrini avessero viaggiato all avelocità delle luce, il ritardo sarebbe risultato pari a zero. Con errori così piccoli, la differenza tra 60 e zero è una differenza significativa.

Le conclusioni riprendono sinteticamente molti contenuti dell'abstract.

The OPERA detector at LNGS, designed for the study of neutrino oscillations in appearance mode, has provided a precision measurement of the neutrino velocity over the 730 km baseline of the CNGS neutrino beam sent from CERN to LNGS through the Earth’s crust. A time of flight measurement with small systematic uncertainties was made possible by a series of accurate metrology techniques. The data analysis took also advantage of a large sample of about 16000 neutrino interaction events detected by OPERA.

Il rivelatore OPERA presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, disegnato per lo studio delle oscillazioni del neutrino, ha prodotto una misura della velocità del neutrino lungo i 730 chilometri del fascio di neutrini CNGS emessi dal Cern verso Gran Sasso sotto la crosta terrestre. Una misura del tempo di volo con piccole incertezze sistematiche è stata resa possibile da un insieme di accurate tecniche di metrologia. L'analisi dei dati ha potuto avvalersi di un consistente campione statistico di 16000 interazioni con neutrini rilevati da OPERA.

… The sensitivity of the measurement of (v-c)/c is about one order of magnitude better than previous accelerator neutrino experiments.

La sensibilità della misura del rapporto di (v -c)/c è di circa un ordine di grandezza superiore ai precedenti esperimenti condotti con acceleratori di neutrini.

The results of the study indicate for CNGS muon neutrinos with an average energy of 17 GeV an early neutrino arrival time with respect to the one computed by assuming the speed of light in vacuum:
δt = (60.7 ± 6.9 (stat.) ± 7.4 (sys.)) ns.

Il risultato dello studio segnala, per i neutrini muonic del CNGS con un'energia media di 17GeV, un tempo di arrivo anticipato rispetto a quello calcolato assumendo la velocità della luce nel vuoto di 60 nanosecondi.

The corresponding relative difference of the muon neutrino velocity and the speed of light is: (v-c)/c = δt /(TOF’c - δt) = (2.48 ± 0.28 (stat.) ± 0.30 (sys.)) ×10-5. with an overall significance of 6.0 σ.

La conseguente differenza relativa tra la velocità del neutrino e quella della luce nel vuoto è di circa un quarto di miliardesimo, con un eccesso significativo di 6.0 deviazioni standard.

… Despite the large significance of the measurement reported here and the stability of the analysis, the potentially great impact of the result motivates the continuation of our studies in order to investigate possible still unknown systematic effects that could explain the observed anomaly. We deliberately do not attempt any theoretical or phenomenological interpretation of the results.

Anche questa è una frase pregna di enorme valore filosofico ed educativo. Riporta infatti l'atteggiamento degli scienziati di fronte a un risultato tanto eclatante. E contemporaneamente risponde anche alla domanda di ciascuno di noi: “Adesso, cosa succederà? Allora, tutto ciò che si è studiato fino ad ora è inutile e deve essere rivisto?”
Per capirlo, procediamo scomponendo il testo in parti più brevi:

Despite the large significance of the measurement reported here and the stability of the analysis …

Nonostante il largo valore significativo conseguito dalla misura e la stabilità delle analisi …

Gli scienziati sono consapevoli di avere prodotto un risultato tecnicamente molto solido, ma si rendono conto di avere toccato un fenomeno estremamente delicato, sotto il profilo teorico.

…, the potentially great impact of the result motivates the continuation of our studies in order to investigate possible still unknown systematic effects that could explain the observed anomaly.

…, il grande impatto potenziale del risultato ci motiva a continuare i nostri studi per ricercare possibili ulteriori fattori di errore sistematico che potrebbero spiegare l'anomalia osservata.

Prima di tutto, i ricercatori vogliono analizzare più a fondo il risultato per trovare conferme ancora più approfondite ed ricercare eventuali criticità ipotetiche della misura.

We deliberately do not attempt any theoretical or phenomenological interpretation of the results.

Volutamente, noi non vogliamo neppure provare a esprimere una interpretazione teorica o fenomenologica del risultato acquisito.

Davvero. Il risultato un risultato del genere non può in alcun modo essere ricondotto all'interno degli schemi teorici esistenti al giorno d'oggi, e gli scienziati ritengono che, al momento, non sia neppure opportuno provarci.
Alla luce della teoria della relatività di Albert Einstein, infatti, è impossibile realizzare un movimento ad una velocità superiore a quello della luce. Un fenomeno che realizza un simile effetto, quindi, è sottratto sistematicamente a qualunque descrizione teorica in un modo inconciliabile.

Bisogna dire, però, che situazioni di questo genere sono già accadute, nella storia della fisica.
Un esempio potrebbe essere la misura di velocità della luce realizzatta da Roemer⁹⁾ nel 1675.
All'epoca si pensava che la luce si propagasse istantaneamente, con una velocità infinita. Questa convizione era così radicata che Galileo Galilei ne aveva fatto un presupposto essenziale per la propria teoria della relatività, che oggi chiamiamo Galileiana. Nel Dialogo dei Massimi Sistemi, Galileo Gallei analizza criticamente questa assunzione descrivendo un vero e proprio esperimento di misura della velocità della luce, che tuttavia non produce esiti significativi. Con questa analisi, Galileo mostra manifestamente di essere consapevole che una eventuale futura rilevazione di un valore finito per la velocità della luce porterebbe necessariamente alla caduta del proprio modello teorico.

Ora, nel 1675, l'ipotesi della propagazione istantanea della luce cade definitivamente, ma la Comunità Scientifica non ritiene di rigettare il lavoro di Galileo, per altri 220 anni, fino all'arrivo di Albert Einstein.

Come mai questo è accaduto?
Il fatto è che una teoria non può essere invalidata da un singolo risultato. Nel 1675, tutti i fenomeni conosciuti erano riconducibili alle teorie Galileiane, tranne uno: la frequenza di rotazione del satellite di Giove chiamato Io intorno al proprio pianeta ed osservata da Roemer. Sarebbe stato ragionevole, secondo voi, gettare nel cestino l'intero Dialogo sui Massimi Sistemi per causa di un unico satellite?

Quando, molto più tardi, Einstein pubblicò i propri lavori, il panorama scientifico era ben diverso. I fenomeni noti che violavano la relatività Galieiana erano molto numerosi ¹⁰⁾ e stavano sotto gli occhi di tutti. Alcuni scienziati avevano proposto delle procedure matematiche di adattamento¹¹⁾ che coprivano un sottoinsieme ristretto dei fenomeni naturali conosciuti. Albert Einstein fece capire che l'introduzione di una teoria innovativa avrebbe ricondotto quelle correzioni all'interno di un contesto di validità universale.

Ahinoi, siamo tornati al 1675. Forse, tra 220 anni, potremo conoscere gli sviluppi e comprendere il significato profondo di quello che leggiamo oggi, dal testo originale della documentazione scientifica contemporanea.