E se i neutrini sorpassassero i fotoni?

Aggiornamento importante: un errore di connessione avrebbe generato un errore nella misura. Ecco la notizia

E' la notizia del momento. Impazza sui giornali, rimbalza ogni dove su internet e anche nella comunità dei fisici sta destando parecchio scalpore. In un esperimento congiunto tra i laboratori del Gran Sasso e il CERN di Ginevra si sarebbe verificata una violazione importante alla relatività di Einstein: i neutrini sarebbe infatti in grado di viaggiare più velocemente della luce. (link al pre-print)

Facciamo un po' di ordine per spiegare anche ai non addetti ai lavori di cosa si tratta. Il neutrino è una particella estremamente elusiva, ovvero interagisce pochissimo con la materia che ci circonda tant'è che siamo perennemente bombardati dai miliardi di neutrini provenienti dal sole e nemmeno ce ne accorgiamo. Proprio per questa loro scarsa socialità, si sono sempre distinti per essere un problema spinoso per i fisici che li studiano perché non è banale scoprire le proprietà di qualcosa che fa di tutto per nascondersi.

Sul fatto che interagiscono poco non possiamo farci nulla, ma per studiarli possiamo fare in modo di generarli in quantità in un punto preciso. Questa è l'idea molto di base dietro alla collaborazione tra il CERN e i laboratori nazionali del Gran Sasso. Da Ginevra viene inviato un fascio di particelle accelerate contro un bersaglio che interagendo forma un fascio di neutrini di energia nota e che indisturbato attraversa la crosta terrestre per poi arrivare sui rivelatori sotto il Gran Sasso. Sono pochi, molto pochi quelli che interagisco con il rivelatore dando un segnale del loro arrivo, ma con pazienza e costanza i fisici sono riusciti ad accumularne un numero sufficiente e continuano a farlo per studiare il maggior numero delle proprietà di questa particella elusiva. Quello a cui sono maggiormente interessati è la capacità di un neutrino di trasformarsi lungo il percorso - fenomeno noto come oscillazione di sapore, ma nel frattempo si sono trovati coinvolti in un'altra scoperta. I neutrini arrivavano al Gran Sasso in anticipo!

Dalle misure condotte da Ereditato et al., i neutrini compirebbero la distanza tra i due laboratori (circa 730 km) impiegando 60 nanosecondi meno della luce. Un nanosecondo è un miliardesimo di secondo, quindi sulle scale dei tempi umani stiamo parlando di una vera e propria inezia, ma resta comunque un intervallo di tempo facilmente misurabile con adeguati strumenti da laboratorio. Anche se sembra estremamente complicato da fare, misurare 60 miliardesimi di secondo è qualcosa che si fa con una certa facilità. Quindi uno sarebbe portato a dire, bene allora la scoperta è fatta. Ma il problema è capire se tutte le possibili fonti di errore, specie quelli sistematiche, sono state opportunamente prese in considerazione. Gli autori della ricerca hanno elencato tutte le sorgenti di errore di cui hanno tenuto conto, e nonostante questo la misura risulterebbe significativa. La fregatura potrebbe nascondersi dietro a qualche fattore non propriamente considerato e che andrebbe a rovinare la festa della scoperta rivoluzionaria.

Quando questa mattina ho pubblicato sul mio profilo Facebook la notizia, ho scatenato un vasto numero di reazioni tra gli amici fisici e non. Vi pubblico uno stralcio del commento dell'amico Sesa, di professione astrofisico.

per me hanno segato qualche sistematica. 60ns su poche centinaia di km...fanno svariati anni su 100 kiloparsec, eppure i neutrini provenienti dall'esplosione della supernova 1987A sono arrivati piu` o meno in coincidenza coi fotoni.....a meno che fossero stati emessi anni prima, o che casualissimamente ci sia stato un burst di neutrini di origine differente proprio mentre arrivavano i fotoni di 1987A, o che le supernove in realta` siano esplosioni molto meno potenti di oggetti molto piu` vicini.....bah.....sara` che sono astrofisico, ma per me hanno segato.....

Il suo argomento è abbastanza semplice: se anziché prendere neutrini che arrivano da poche centinaia di km, guardiamo quelli che sono arrivati dallo spazio profondo allora l'anticipo sui fotoni dovrebbe essere estremamente più grande e invece nel caso della supernova 1987A non è stata misurata questa discrepanza. Ma subito altri amici hanno ribattuto con precisazioni sullo spettro di energia e sulla tipologia di neutrini.

Insomma la questione è vibrante, il tavolo della discussione è apertissimo e ci sarà molto, anzi moltissimo da divertirsi per gli scienziati coinvolti che adesso cercheranno metodi indipendenti per verificare o smentire questo risultato.

Per chi volesse seguire in diretta web la presentazione dei risultati che avverrà oggi pomeriggio (ore 16), basta cliccare sul link qui sotto. Sarà piuttosto affollato, quindi collegatevi per tempo.

Webcast in diretta del seminario dal CERN (ore 16)

ps. Sembra che l'articolo in preprint sia al momento irraggiungibile a causa dell'elevato traffico. Se volete ne trovate una copia anche qui

Reazioni a semifreddo (24/9/2011)

E' passata ormai una giornata dal grande annuncio e questa mattina sono persino riuscito a godermi le due ore di seminario e domande che si è tenuto ieri al CERN. Trovate sia il video sia la presentazione a questo indirizzo.

Registrazione dell'evento al CERN

Dopo aver visto la presentazione sono ancora più contento di ieri. Ieri ero felice perché la natura ci riserva sempre delle sorprese e quando pensiamo di aver capito tutto è solo un nuovo punto di partenza per capire qualcosa d'altro. Oggi sono contento anche per lo spirito con cui Autiero, in rappresentanza della collaborazione Opera ha presentato i risultati. Per la prima volta nella mia vita ho visto una presentazione in cui ci sono voluti 40 minuti buoni per descrivere l'apparato sperimentale fino nei minimi dettagli, senza trucchi e segreti. In poco meno di cinque minuti è stato presentato il risultato, cioè che dalla loro misura i neutrini avrebbero impiegato meno della luce a percorrere la distanza Ginevra - Gran Sasso. E poi le conclusioni. Immaginatevi la situazione, tu sei lì davanti al mondo a dire che la velocità della luce è stata superata e invece di riempirti di vanagloria, concludi dicendo: non siamo riusciti ad identificare altre fonti di errore sistematico, e quindi dobbiamo concludere che la velocità della luce sia stata superata, ma vista la portata di questa affermazione, dobbiamo assolutamente prenderla con la massima cautela, chiedere una verifica indipendente e continuare a lavorare alla ricerca di possibili errori. L'applauso parte in automatico e anch'io che ho visto la presentazione in differita, a casa mia, mi sono ritrovato a battere le mani davanti al monitor.

E' una questione di atteggiamento che come ha anche fatto notare Marco nei commenti era disponibile, aperto, insomma il grande entusiasmo che si respira nei laboratori, non tanto quando si sta per fare una scoperta, ma quando si è sull'orlo di capire qualcosa di nuovo.

L'ultimo punto delle conclusioni è ancora più importante e recita più o meno così: visto che nonostante i nostri risultati abbiano un buon fondamento statistico, l'atteggiamento di cautela ci spinge a non azzardare spiegazioni e non vogliamo entrare nella discussione delle possibili conseguenze.

Bene, oggi sono ancora più contento di essere uno scienziato!

Alcune domande frequenti con le corrispondenti risposte!

Come fanno ad accelerare i neutrini e a spararli al Gran Sasso? 
I neutrini sono particelle neutre e quindi non possono essere accelerate usando campi elettrici o magnetici come si fa per le particelle cariche. L'idea di base è quella di usare un fascio di protoni, che invece sono carichi positivamente, accelerarli all'interno dell'SPS (un acceleratore circolare del CERN usato come iniettore per LHC) e poi spararli contro un bersaglio di grafite lungo due metri.

Nell'interazione con la grafite vengono prodotte delle particelle intermedie chiamate pioni e kaoni che sono delle combinazioni di due quark leggeri. Questi corrono per circa un chilometro nel vuoto dove decadono in un muone e un neutrino muonico. Il muone, nonostante sia una particella molto penetrante si fermerà dopo alcune decine di metri, mentre il neutrino che interagisce pochissimo con la materia che ci circonda, continuerà indisturbato dritto fino al Gran Sasso. Il fascio iniziale è molto piccolo sia come superficie sia come lunghezza, ma quando arriva in Abruzzo ha un diametro di oltre un chilometro!

Come hanno fatto a misurare la distanza tra Ginevra e il Gran Sasso?
E come hanno fatto a farlo con un'incertezza di soli 20 cm? Lo strumento principale è il GPS, che ci permette di sapere le coordinate di un punto (l'antenna ricevente) in un certo sistema di riferimento con elevata precisione. Se l'oggetto è fermo e se il numero di satelliti è sufficiente (4 è il minimo, maggiore la ridondanza maggiore l'accuratezza) allora l'incertezza sulla posizione può scendere fino all'ordine del centimetro. Nel caso del Gran Sasso, l'antenna è stata posizionata al di fuori del tunnel autostradale e la posizione è stata riportata a quella del rivelatore di neutrini utilizzando strumenti di geodesia tradizionale e proprio da lì deriva la componente maggiore di errore nella stima della distanza. E' importante notare come in questo modo si ottengono le coordinate di due punti nello spazio tridimensionale e quindi la misura della distanza è ottenuta da una semplice formula che calcola appunto la distanza in linea retta. E no, gli scienziati non si sono fatti fregare dalla curvatura terrestre che non c'entra nulla visto che i neutrini corrono in linea retta fregandosene della forma della terra.
Due precisazioni, quasi pignolerie. Dal lato svizzero, l'inizio del percorso è calcolato a partire dal bersaglio di grafite, ovvero dal punto in cui i protoni finiscono la loro corsa. E' importante notare come i pioni/kaoni prodotti dall'interazione dei protoni siano sì relativistici, ovvero viaggino a velocità prossime a quelle della luce, ma di certo non superiore. Quindi, ammesso che l'esito dell'esperimento sia verificato e che i neutrini abbiano effettivamente viaggiato più velocemente della luce, allora i 60 ns di anticipo sono di fatto una stima per difetto, perché per il primo km circa, quando il fascio era ancora composto da pioni e da kaoni, la velocità era sicuramente più bassa delle luce.
Dal lato italiano, quando un neutrino interagisce all'interno del rivelatore (evento interno) allora la posizione di fine corsa viene calcolata aggiungendo alla distanza tra il target di Ginevra e l'inizio del rivelatore OPERA la posizione effettiva dell'interazione. Vengono, però, usati anche i cosiddetti eventi esterni, ovvero quei neutrini che interagiscono con la montagna che circonda il rivelatore e sparano un muone nel rivelatore stesso. In tal caso viene considerato come spazio percorso la distanza tra il target e l'inizio di OPERA perché non è possibile sapere il punto esatto in cui il neutrino ha terminato la sua corsa. Visto che l'ultimo tratto di strada, dal punto di interazione all'inizio di OPERA è percorsa da un muone relativistico con velocità inferiore a c, considerare la distanza totale introduce un errore sistematico (sub-ns) che genera un ritardo e non un anticipo dei neutrini.

Come fanno a misurare il tempo di volo?
Quando uno pensa alla misura di tempo, gli viene spontaneo immaginare che ci sia uno start e uno stop per far partire e arrestare il cronometro. Purtroppo questa strategia non può essere applicata a questo esperimento perché se è già difficile far interagire un neutrino ed ottenere il segnale di stop, immaginare che lo stesso neutrino interagisca anche un rivelatore a Ginevra per generare il segnale si start è pura utopia.
Come se non bastasse il pacchetto di protoni che andrà a generare il fascio di neutrini ha una certa lunghezza (circa 10 microsecondi, che sono un'eternità comparata ai 60ns di anticipo misurati) e non è assolutamente possibile sapere se il neutrino che ha generato il segnale di stop al Gran Sasso provenisse da un protone all'inizio del pacchetto o alla fine.
A questo punto uno sarebbe portato a dire, va bene allora non ci sono speranze di misurare il tempo di volo, e invece c'è ancora una carta da giocare che si basa sulla struttura del temporale del fascio di protoni. Prima di continuare nella lettura guardate i due grafici qui sotto.

Abbiamo detto che il pacchetto di protoni ha una lunghezza temporale di circa 10 microsecondi, ma all'interno di questo intervallo la distribuzione dei protoni non è per nulla costante. Assume una forma caratteristica, anzi due, una per i pacchetti dispari e uno per pacchetti pari, il motivo è che due pacchetti consecutivi vengono estratti dall'acceleratore in modo leggermente diverso. Dicevamo che la struttura dei pacchetti è caratteristica ed è sempre la stessa, tant'è che se vado a sommare tutti i milioni di pacchetti che dall'SPS sono stati inviati contro il bersaglio, posso costruire una curva con la media di tutti i pacchetti ed è quello che avete visto nei due grafici qui sopra.
Riassumendo, queste curve ci dicono come sono disposti (temporalmente) i protoni nei pacchetti di partenza, dove ci sono protoni ci saranno in media più pioni/kaoni e di conseguenza più neutrini, che vuol dire un maggior numero di interazioni al Gran Sasso. Dove ci sono meno protoni, ci saranno anche meno neutrini finali. Questa ipotesi è sorprendentemente buona come potete vedere dai grafici qui sotto.

In rosso ci sono le stesse curve della figura di sopra, invece i punti rappresentano i tempi di rivelazione dei neutrini e vedete come in effetti si possa intravedere una certa corrispondenza. Lo spostamento laterale è dovuto al fatto che ancora non era stata effettuata nessuna correzione degli errori, la cosiddetta analisi cieca.

Introducendo tutte le informazioni necessarie e di cui gli sperimentatori sono conoscenza e andando a cercare la miglior sovrapposizione dei punti sperimentali con la curva rossa, si è ottenuto lo spostamento di 60 ns di cui tutti parlano.

Ho un'altra domanda che vorrei fare?
Scrivila nei commenti qui sotto e se sappiamo la risposta la pubblicheremo qui di seguito.

Alcuni articoli interessanti

Ovviamente le reazioni non si sono lasciate attendere e cominciano ad arrivare le prime risposte all'anomalia registrata. Nel box qui sotto trovate una serie di articoli a riguardo, sono un po' tecnici e in gran parte ancora non referati, ma se vi va di dargli una lettura, siete i benvenuti.