Антоніо Ередітато наполягає, щоб інтерв'ю з ним велося скайпом, і щоб обидві камери були ввімкнені. Це чоловік трохи старший за середній вік, волосся з сивиною обрамляє широко розплющені очі та витончене підборіддя. Він легко посміхається, а його погляд приковує увагу, як світло прожектора. Італійський акцент додає зайвих голосних наприкінці вимовлених ним слів.
Ередітато - колишній лідер 160 фізиків із 13 країн, що складають колаборацію OPERA, створену з метою вивчення фізики нейтрино. Уперше її запропонували зібрати у 2000-му, а Ередітато керував нею з 2008 по 2012 роки. Потім взимку 2011 року начебто сталося щось неможливе.
"Людина, яка вивчала дані, телефонує мені, - розповідає Ередітато з мого комп'ютерного екрана. - Він каже: "Я тут бачу щось дивне".
Він побачив свідчення того, що нейтрино пройшли через 730 км земної кори, від Швейцарії до Італії - а це вони повинні робити - з такою високою швидкістю, що прибули на місце призначення на 60,7 нс швидше, ніж світло могло б пройти таку відстань у космосі - чого не повинно бути.
За останні сто років спостереження Ейнштейна, згідно з яким масивні об'єкти не можуть пересуватися швидше за швидкість світла у вакуумі, вбудовані в його спеціальну теорію відносності, стали наріжним каменем нашого розуміння Всесвіту. Якщо вимірювання OPERA були правильними, вони ознаменували б перше порушення цієї теорії. Це була б атомна бомба в серці нашого розуміння Всесвіту.
Я запитую Ередітато, чи думав він про те, що це має бути помилкою. "Не думаю, що було б чесно так говорити, - каже він мені. - Якщо так сказати, ми спотворимо наш аналіз. Тому коли ми отримали натяк на щось настільки дивовижне, то першою реакцією було: давайте розберемося, чому це так".
Вольфганг Паулі постулював існування нейтрино в 1930 для вирішення простої проблеми. Коли ядра зазнають бета-розпаду, випускаючи електрон або позитрон, еквівалент електрона з антиматерії, чогось не вистачає. Або разом з електроном/позитроном випускається щось невидиме, або енергія зникає.
Оскільки в жодному відтворюваному експерименті, де будь-що летіло, падало, рухалося, стикалося, розпадалося або не змінювалося, не було зафіксовано зникнення енергії, Паулі запропонував нейтрино, невидиму частинку з усіма властивостями, необхідними для того, щоб привести бета-розпад у відповідність із першим законом термодинаміки.
Під невидимістю частинки я маю на увазі те, що коли нейтрино проходять через матерію, вони рідко залишають слід. Так рідко, що на те, щоб знайти фізичне свідчення їхньої наявності в експерименті (проведеному Фредеріком Райнесом і Клайдом Коуеном), пішло майже 30 років.
Сьогодні нейтрино - невід'ємна частина періодичної таблиці Стандартної Моделі у фізиці частинок. Тут ви знайдете частинки, що складають матерію, перераховані парами і розділені на три категорії: електронні нейтрино спарені з електронами, мюонні нейтрино - з мюонами, а тау-нейтрино - саме так, з тау. Нейтрино можуть перетворюватися з одного виду в інший. Наприклад, електронний нейтрино може осцилювати в мюонний, а мюонний - перетворитися на тау. "Нейтринні осциляції - перші ознаки фізики за межами Стандартної Моделі, - каже мені Ередітато. І зі сміхом додає: - Тому мені й подобаються нейтрино".
Що повертає нас до експерименту OPERA. При його задумці існувало вже багато свідчень осциляції нейтрино, але всі вони походили з експериментів зі зникненням. Тобто, свідчення полягало в тому, що зникали або електронне, або мюонне нейтрино. Були потрібні експерименти з появою - це і було метою OPERA. Ідея полягала в тому, що в ЦЕРН, Європейській організації з ядерних досліджень у Женеві, створять промінь із мюонних нейтрино, спрямований на детектор, закопаний глибоко під італійським гірським пасмом Гран-Сассо-д'Італія, за 730 км від джерела.
Якщо там будуть виявлені тау-нейтрино, тоді нейтринні осциляції трапляються. Відповідно до традиції фахівців з фізики частинок давати експериментам помітні акроніми, проєкт став називатися OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRracking Apparatus) [проєкт вивчення осциляцій за допомогою емульсійно-відслідковуючого апарату].
Вимірювання швидкості нейтрино під час їхньої подорожі від CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso) [Нейтрино з ЦЕРН до Гран-Сассо] до детектора OPERA в реченні не згадувалося. Але в лютому 2011 проект OPERA майже повністю сконцентрувався саме на цьому.
"Думаю, як і будь-який учений, я від самого початку був дуже, дуже, дуже скептичний, - каже Ередітато. - Ви складаєте список для перевірок: таймер, приймач, GPS, передавач від приймача до детектора... Перевіряєте все".
Деякі варіанти відкинули дуже швидко, перевірка інших вимагала часу. Експерименти на ЦЕРН зупиняти було не можна. Тим часом Ередітато жорстко ганяв свою команду. "Уявити не можете, як я працював у цей час зі своїми колегами - перевір те, перевір те, зроби те, зроби це, повтори, знову повтори - ми цим займалися від весни і до 23 вересня!"
Команда перевіряла і пробувала всі варіанти ПЗ, заліза, теорії, які вони тільки могли вигадати, кожен крок, кожну виправлену помилку, кожну крихту отриманих знань, свідоцтва того, що нейтрино, які переміщуються швидше за світло, непорушно стояли над усім експериментом. А потім сталося неминуче і новини про дані просочилися назовні.
Люди, не зайняті в експерименті, почали плодити чутки з приводу порушення теорії відносності, про результат, який потряс би основи фізики так, як їх не трясли з 1900 року, коли Макс Планк виявив квантову фізику. Чутки "поширювалися зі швидкістю світла" говорить мені Ередітато.
"А що відбувається потім? Ви вирішуєте зайняти місце глави зі зв'язків із громадськістю. Що сказати: без коментарів? Але тоді всі будуть тебе звинувачувати, всі журналісти скажуть: "А, так ви щось приховуєте.
Ми хочемо знати, що відбувається. Ми платимо податки і підтримуємо вас, у нас є право знати!" Або ви робите заяву". Зловісним голосом він вимовляє: "Я відкрив надсвітлові нейтрино".
У цьому випадку все вирішував не Ередітато. Великі експериментальні об'єднання на кшталт OPERA мають інструкції з опрацювання спірних результатів і голосують за те, щоб анонсувати результати громадськості. Проти анонсу проголосувало лише кілька людей. "І я їх дуже поважаю, і вони в підсумку виявилися праві, через що їм і респект".
OPERA оприлюднила результати 23 вересня 2011 року на особливому семінарі ЦЕРН. Команда не заявляла про те, що виявила порушення теорії відносності. Натомість використовувалися фрази на кшталт "свідоцтво" або "відкриття", а дані назвали "аномалією".
Але цей ключовий нюанс загубився в сенсації людської взаємодії. І хоча в заголовку, опублікованому The New York Times, було застереження: "Крихітні нейтрино, можливо, побили космічне обмеження швидкості", його не було в статті в The Daily Telegraph ("Учені з ЦЕРН побили рекорд швидкості світла") або в The Guardian ("Учені заявляють про виявлення часток, що рухаються швидше за світло"), або в Scientific American ("Виявлено частки, які рухаються швидше за світло").
Фізична спільнота сприйняла новини зі скептицизмом, і навіть цинізмом. Жоден професійний фізик-практик не був готовий відмовитися від СТО, так само, як Вольфганг Паулі не був готовий відмовитися від закону збереження енергії в 1930-му. Але все-таки, що, якщо?
З моменту підтвердження ключових догм Стандартної Моделі в експериментах UA1 і UA2 у ЦЕРН у 1983-му, кожне відкриття у фізиці частинок (окрім нейтринних осциляцій) додавало ще одну галочку в скарбничку цієї дратівливо-священної Стандартної Моделі. Як могли фахівці з фізики частинок протистояти спокусі сподіватися, що будь-що, будь-що завгодно, може підірвати цю галузь ще за їхнього життя?
Навіть Ередітато трохи сподівався. "Ви виходите на трибуну на науковій конференції, на семінарі, і кажете: Хлопці, у мене тут є дещо, що я не розумію. Будь ласка, допоможіть нам це зрозуміти". Він робить паузу і киває, більше собі самому, ніж мені. "Я думаю, це хороший вибір, скромність. І взагалі, всі мріяли про те, щоб ми мали рацію. Усі".
В одному напрямку лежала епічна проривна фізика, а в іншому - потенційна ганьба. Чи повинна була OPERA почекати? Скільки ще місяців можна було аналізувати і повторно аналізувати результат?
Нахиляючись до мене, вказуючи на мене через камеру, Ередітато пояснює, чому вчений не може ігнорувати вимір, навіть якщо він здається абсурдним. "Таке не можна вбивати. Природа розмовляє з нами не через теорії, а через експериментальні результати.
Найгірші дані кращі за найкращу теорію. Якщо ви шукаєте розумних результатів, ви ніколи не зробите відкриття, або, принаймні, не зробите несподіваного відкриття. Ви можете зробити - суперечливі терміни - очікуване відкриття".
Одне ясно: анонс забезпечив OPERA допомогу, на яку вона сподівалася. Через кілька днів, за допомогою операторів променя CNGS, вони почали розробляти новий підхід до вимірювань.
В оригінальному аналізі доводилося використовувати статистичну техніку, щоб визначати час приходу нейтрино, оскільки промінь розходився. Новий підхід мав генерувати нейтрино щільними партіями, щоб вони приходили на детектор спільно, завдяки чому час їхнього приходу буде набагато простіше визначати.
На переналаштування променя нейтрино, виконання експерименту та аналіз результатів пішло два місяці - безпрецедентно швидко для такого складного експерименту.
І вимірювання перевищення швидкості світла нікуди не поділися. "І тоді мені стало страшно, - каже Ередітато. - Я сказав: "О, господи". І не тільки я, багато людей, які дуже критично ставилися до цього, нічого не могли сказати перед обличчям цього результату".
Експерименти у фізиці частинок складаються зі складних детекторів розміром з будинок і прискорювачів частинок. Розробка і будівництво починаються за багато років до отримання перших результатів. На той час, як детектор і колайдер уже працюють, експериментатори розробляють ПЗ для аналізу і просіювання даних, і для поділу сигналу і шуму, рідкісного і екзотичного від звичного і нудного, музики від шуму.
Вони використовують свою версію сліпого аналізу, схожу на подвійне сліпе тестування в біомедицині, що вимагає "закритої коробки з сигналом". Замість того, щоб перевіряти свої техніки на реальних даних, вони перевіряють їх на симульованих даних, створених так, щоб відтворювати реакцію обладнання детектора на відомі процеси.
У результаті, коли вони "відкривають коробку", їхні виміри не повинні спотворюватися якимось усвідомленим або неусвідомленим бажанням зробити відкриття.
Однак дані OPERA щодо нейтрино швидше за світло залишалися на місці. Наступним кроком було отримати незалежне підтвердження від джерела поза OPERA, як це прийнято. Приміром, частинку Хіггса спостерігали як в експериментах ATLAS, так і CMS. Але не існувало інших експериментів, які могли б підтвердити або спростувати те, що відбувається на OPERA, протягом щонайменше кількох років.
Однак, на базі Гран-Сассо був ще один експеримент, Large Volume Detector (LVD), який принаймні міг перевірити систему підрахунку часу на OPERA. Ідея полягала в тому, щоб переконатися, що годинники обох експериментів були синхронізовані, порівнюючи час прибуття космічних променів з мюонів в обох детекторах.
Але був реально приголомшливий експеримент", - каже мені Ередітато. Озираючись на дані, отримані на OPERA за п'ять років, дослідники виявили період, у якому вимір часу на OPERA працював зі зсувом у 73 нс. Потім у таймера було виявлено ще одну помилку, що вплинула на експеримент з ущільненим пучком: тактова частота на OPERA не була синхронізована з частотою пучків. Комбінація двох цих проблем повністю компенсувала випередження в 60 нс, яке було зареєстровано у прибуття мюонних нейтрино з CNGS.
Джерелом проблем з таймером виявився оптоволоконний кабель, що передавав сигнали часу з GPS з поверхні Гран-Сассо на глибину 8,3 км, де був розташований детектор OPERA. У кабелю було дві хитрих проблеми: по-перше, він був погано під'єднаний, так, що можна було очікувати, що приймач узагалі не буде сприймати сигнали з нього. Якщо приймач бачить світло, він має запускати гонку нейтрино до детектора. Якщо приймач не бачить світло, запуску бути не повинно.
Але в результаті все виходило не так. Замість цього цьому приймачу було потрібно близько 73 нс на те, щоб набрати достатньо світлової енергії для запуску нейтрино і активації електроніки. У результаті електроніка відзначала старт нейтрино через 73 нс після того, як вони реально залишали стартову межу в ЦЕРН. "Я міг очікувати, що сигнал або є, або немає.
Але сигналів із затримкою не буває", - каже Ередітато. По-друге, конектор кабелю, судячи з усього, був зсунутий. "Кабель був нормально встромлений десь за тиждень до того, як ми почали збирати дані, і був нормально встромлений, коли ми все перевіряли наново, - каже Ередітато. - Підлість у тому, що між цими подіями, коли ми збирали дані за швидкістю нейтрино, кабель був встромлений якось не так".
Після знаходження і виправлення помилки вимірювання швидкості нейтрино на OPERA виходять найточнішими у світі. І вони ідеально відповідають СТО Ейнштейна. Слабка надія на існування нової фізики, не передбаченої поважною Стандартною моделлю, померла.
Але робота команди OPERA, яка знайшла єдиний кабель, що відійшов, серед тисяч електричних каналів експериментального обладнання, була дивовижною. "Я пишаюся, - каже мені Ередітато. - Скажу чесно, я завжди вважав, що рішення знайдеться серед дивних явищ.
Явищ побічного спрямування, таких, про які ніхто й не подумає. Я ніколи б не подумав про таку річ, як кабель, ніколи". І колаборація теж не перебільшувала даних, і не робила непідкріплених заяв. Вони взагалі не робили жодних заяв, і вели розслідування в тісній співпраці з іншими командами.
Проте було видно, що хтось десь помилився. Можливо, це була людина, яка приєднувала кабель, або розробила приймач, або хтось ще. У березні 2012, коли пил влягся, колаборація OPERA провела ще одне голосування, щоб визначити, чи впевнені учасники в лідерах проекту. Кожна організація з тих, хто брав участь у проекті, мала один голос.
Голосування завершилося з результатом 16 проти 13 на користь висловлення недовіри, кілька тих, хто голосував, утрималися. Це було далеко від необхідних 2/3 голосів, щоб вважатися більшістю і провести імпічмент керівництва, але достатньо для того, щоб повідомлення було почуте. Лідер OPERA, Ередітато і координатор експериментів, Даріа Аутіеро, подали у відставку.
У листі про відставку Ередітато чітко йшлося про те, що він іде на благо команди: "внаслідок величезного інтересу з боку ЗМІ, колаборація OPERA опинилася під аномальним, і в деякому сенсі, мінливим тиском. А зовнішній тиск досить швидко просочується всередину соціальної системи зі 150 осіб, що веде до потенційно небезпечних результатів, до небезпеки втратити з поля зору наукові цілі. Це занадто великий ризик. Щоб уникнути цього ризику, думку окремих особистостей потрібно принести в жертву".
Чи зробив Ередітато щось погане? Люди помиляються. Я провів 13 років, працюючи над експериментами в SLAC, Фермілаб, Корнелльському університеті, ЦЕРН, і навіть у давно вже покійному надпровідному суперколайдері.
Можливо, я легше пробачаю помилки, ніж люди, яким ніколи не доводилося повзати по серверній, з'єднуючи і розводячи кабелі. Конектори відмовляють з безлічі причин, і за наявності тисяч каналів можна з упевненістю заявити, що жоден науковий експеримент не проходив без відмови парочки конекторів. Зазвичай їх легко знайти, але не цього разу.
Дехто каже, що OPERA мала провести більше перевірок, але до часу винесення вотуму недовіри минув уже цілий рік. Скільки ще місяців їм потрібно було цим займатися? Чи повинна була їхня лояльність до СТО змусити їх почекати, поки проблема не знайдеться? Ні, вони тоді йшли б на поводу в абсурдної концепції, згідно з якою вчені повинні слідувати якомусь науковому кредо.
Можливо, розчарування, виражене результатами голосування, говорить про те, як сильно вчені, особливо експериментатори, хочуть знайти щось нове, щось непередбачуване, і як вони зляться, коли ця можливість зникає.
Я запитав Ередітато оцінити весь отриманий досвід цілком. "Суспільство любить ділити все на чорне і біле", - відповідає він. Але в науці відповіді не завжди бувають такими чіткими.
"Нам потрібно бути обережними, оскільки якщо ми створюватимемо враження, що наука ніколи не каже "так" чи "ні", завжди каже "можливо", то люди скажуть "Ну тоді науці вірити не треба".
Питання донесення цього повідомлення дуже делікатне". Велика частина журналістів, які пишуть про науку, не є вченими. "Вони ставляться до наукової інформації так само, як до вбивств або викрадень". Щодо особисто його ролі? "Я дізнався, що всі ми відіграємо свою роль у цій галузі".
Сьогодні Ередітато - директор Лабораторії фізики високих енергій Бернського університету, і продовжує брати участь у різних експериментах із нейтрино. Експеримент OPERA, тим часом, під іншим керівництвом продовжує полювати за нейтринними осциляціями і збирати тау-нейтрино. Поки що вони набрали їх чотири штуки.
Ренсом Стівенс - фізик, письменник, технолог, журналіст. Його перша науково-популярна книжка "Ліва півкуля говорить, а права - сміється: неповажний, але точний опис нейробіологічних поглядів на талант, навички, інновації, відкриття, мистецтво та науку" [The Left Brain Speaks, but the Right Brain Laughs: an irreverent (but accurate!) look at the neuroscience of talent & skill, innovation & discovery, and art & science] вийшла 2015 року.
Джерело: NAUTILUS
