… oppure scienziati più idioti di Gasparri?

Più veloci della luce? (ehm...)

Come sapete fino ad oggi si dava per certo che sia la velocità della luce che la stupidità di Gasparri fossero, nel nostro universo, dei limiti insuperabili. In questi giorni però le performance dei neutrini e del ministro Gelmini stanno costringendo gli scienziati ad un radicale cambiamento di prospettive che potrebbe aprire a grandi rivoluzioni nel prossimo futuro.

Scherzi a parte, cerchiamo di far luce su questo ormai famosissimo esperimento che avrebbe dimostrato che i neutrini sono più veloci della luce… e per farlo (visto che non sono un fisico) prendo enorme spunto da alcuni blog e siti del settore che segnalo subito: borborigmi.org, stukhtra.it, scientific american, starts with a bang!.

Cos’è successo?

In breve (tanto l’avete letto tutti): un fascio di neutrini (delle particelle fondamentali che interagiscono rarissimamente con il resto della materia), generato dal CERN di Ginevra e inviato verso il laboratorio del Gran Sasso nell’ambito dell’esperimento OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus), è stato rilevato circa 61 nanosecondi PRIMA di quello che avrebbe impiegato se i neutrini si fossero mossi alla velocità della luce nel vuoto. Il “lungo” viaggio di circa 730 km viene coperto dai neutrini in circa 2.43 millisecondi e l’errore di misura è, dicono i ricercatori, al massimo 10 nanosecondi.

[fbshare] Come saprete la fisica degli ultimi 100 anni si fonda su alcuni pilastri fissi, uno dei quali è NULLA può andare più veloce della luce: la velocità limite. Proprio per questo l’esperimento sta causando non poche polemiche e la notizia è rimbalzata in tutto il mondo ad una velocità… prossima a quella della luce 🙂

Ma come, basta scoprire che un fascio di neutrini è più veloce dello 0.0025% rispetto alla luce per far dubitare di cent’anni di teorie fisiche altamente consolidate? Purtroppo/per fortuna SÍ!
Entriamo nel dettaglio.

Come si generano i neutrini?

Creare un fascio di neutrini è più facile di quello che sembra. In questo esperimento i neutrini sono prodotti dall’acceleratore Super Proton Synchrotron del CERN di Ginevra.
Semplifico: SPS accelera e poi invia dei protoni ad altissima velocità contro un bersaglio.

Questo “scontro” genera centinaia di particelle instabili che hanno una vita brevissima (per lo più nanosecondi), e un certo numero di neutrini ad alta energia che invece sopravvivono e proseguono indisturbati nella direzione verso cui il raggio è stato precisissimamente focalizzato: il laboratorio del Gran Sasso.

Uno dei maggiori dubbi sull’esperimento deriva proprio da come vengono generati i protoni al CERN di Ginevra.
Infatti i protoni vengono fatti uscire dall’acceleratore in pacchetti per un tempo che dura circa 10.5 μs, seguito una pausa di 50 ms, e poi da una seconda estrazione che dura di nuovo 10.5 μs (e così via). Come se non bastasse, i protoni (e dunque i neutrini in quanto prodotti secondari) non escono nella stessa quantità nel corso di un’estrazione, il flusso varia nel tempo. E in più, questa variazione di quantità nel tempo è diversa tra la prima e la seconda estrazione, per via di come funziona l’acceleratore. (altre info su borborigmi.org).

Il calcolo sul tempo di invio dei neutrini quindi non può che essere fatto sul valore medio, perdendo evidentemente in precisione.

Come fanno a rilevare i neutrini?

Se i neutrini attraversano agevolmente 730km di roccia nel sottosuolo (eh sì, ministro Gelmini, niente tunnel!), come possono i ricercatori capire quando arrivano al Gran Sasso?
Proprio per questo arduo compito è stato costruito un enorme rilevatore che ogni tanto (rarissimamente!) riesce a individuare l’interazione di uno di questi neutrini che, nell’impatto, si trasforma in altre particelle che possono essere tracciate e permettono di ricalcolare con ottima precisione la posizione di arrivo e il tempo.

Il rilevatore di neutrini OPERA

I risultati dell’esperimento sono validi?

I risultati, dicono i ricercatori, hanno una significatività statistica di 6-sigma. “Sigma” significa deviazione standard, una misura che indica la variabilità dei dati in esame e viene usata per stimare la precisione e significatività di un risultato. In genere, più è alto sigma più il risultato è ritenuto valido e credibile. Per esempio se sigma è uguale a 5 significa che c’è solo una possibilità su 1.744.278 che il risultato sia dovuto al caso. Se sigma è uguale a 6, come in questo esperimento, significa che c’è solo una possibilità su 506.797.346 di aver sbagliato il conto.

Per riassumere: i dati sono decisamente validi statisticamente… ma questo non elimina la possibilità che ci sia un errore intrinseco nella misura, purtroppo! Dimostra solo che, sotto queste condizioni, è praticamente certo che ripetendo l’esperimento avremo gli stessi risultati ottenuti dai ricercatori di Opera. Ma se le condizioni di partenza non tenessero conto di qualcosa? Se ci fosse un errore di misura nella distanza o nel calcolo del tempo di percorrenza?

Come si calcola la distanza?

I Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) distano dal punto al CERN da cui parte il fascio di neutrini circa 730 km. OPERA sostiene di aver misurato questa distanza con la precisione di 20 centimetri. Ovvero, che il tragitto che i neutrini percorrono sia esattamente 730534.61 ± 0.20 m.
Come viene effettuata questa misura? In sostanza, con rilevamenti geodesici, che in effetti possono garantire questa precisione anche su distanze così lunghe. Il problema è però che OPERA è sistemato dentro la caverna sotto il Gran Sasso, per cui non è possibile metterci un teodolite sopra, e triangolare direttamente verso nord. La più grande sorgente di incertezza sulla distanza CERN-LNGS è dovuta dunque all’estrapolazione della distanza del tratto finale sotterraneo, misura fatta nel tunnel del Gran Sasso con metodi tradizionali (come sui cantieri stradali) triangolando circa ogni 2 metri.

Come si calcola il tempo di percorrenza?

La misura del tempo di percorrenza dei neutrino tra il CERN e il Gran Sasso è persino più complicata. In sostanza, siccome non c’è un sistema intelligente per far parlare i due laboratori in diretta, il momento dell’emissione dei neutrini al CERN e del loro arrivo al Gran Sasso sono registrati indipendentemente, e il calcolo del tempo si può fare garantendo la sincronizzazione perfetta degli orologi di entrambi i laboratori.
Il sistema più accurato per sincronizzare due orologi a 730 km di distanza consiste nell’usare due ricevitori GPS. Peccato che il normale sistema GPS garantisca una precisione di sincronizzazione non migliore di 100 ns, troppo per il tipo di misura che si vuole fare. Il CERN e OPERA si sono dati un gran da fare per far scendere la precisione della sincronizzazione a una manciata di nanosecondi, interfacciando le antenne GPS di entrambi i laboratori con degli orologi atomici al Cesio, e a un complesso sistema di misura tarato da ben due istituti di metrologia indipendenti.

La questione è che non tutti i neutrini emessi al CERN arrivano fino al Gran Sasso: per quanto ben collimato il fascio si apre a cono lungo la strada, e copre all’arrivo un’area ben più larga del rivelatore di OPERA. Non è dunque possibile associare un evento registrato da OPERA a un preciso neutrino prodotto al CERN, e fare dunque una misura di tempo evento per evento. L’unica cosa che si può fare è una misura collettiva del tempo medio impiegato da tutti i neutrini che arrivano in OPERA.

L’uso di calcoli medi e non assoluti e le tantissime variabili che potrebbero aumentare l’incertezza del risultato sono alcune delle tante variabili che i fisici terranno in considerazione quando cercheranno di riprodurre l’esperimento negli altri accelleratori di particelle nel mondo.

Altri esperimenti sulla velocità dei neutrini

Fino a settimana scorsa l’esperimento che aveva dimostrato senza ombra di dubbio che i neutrini fossero PIÚ LENTI della luce era stato fatto calcolando i tempi di percorrenza di neutrini e luce emessi dalla supernova 1987a.
Dopo un viaggio di 168 mila anni (non 2 millisecondi come nell’esperimento OPERA) se i neutrini avessero avuto la velocità indicata dai ricercatori del Gran Sasso sarebbero dovuti arrivare sulla Terra ben 4,14 anni prima della luce… ma in realtà questi ultimi raggiunsero la Terra solo 3 ore prima della luce (che riesce ad uscire dalla supernova solo molto dopo l’esplosione).

In conclusione: ci sono forti dubbi sui risultati di questo rivoluzionario esperimento. I ricercatori hanno fatto bene a rilasciare un documento ufficiale (link qui [pdf], è ancora una versione draft) in cui praticamente si chiede alla comunità scientifica: trovate voi il problema nelle nostre misurazioni, noi non lo troviamo!

Nel caso l’esperimento fosse confermato, le conseguenze sarebbero enormi: il principio di causalità, la relatività ristretta e moltissime altre teorie consolidate sarebbero a rischio… proprio per questo probabilmente si troveranno degli errori o delle spiegazioni alternative… i dubbi dei fisici sono piuttosto ben rappresentati da queste due citazioni:

È possibile che anche se le conclusioni sono accurate, queste non dimostrino che i neutrini viaggiano più veloci della luce, ma invece siano la spia di un altro effetto esotico sconosciuto

David Kaiser (MIT)

Right, if the CERN experiment proves to be correct and neutrinos have broken the speed of light, I will eat my boxer shorts on live TV.

twit del fisico @jimalkhalili

(clicca qui per leggere un mio vecchio post “a caccia del neutrino”)