[Перевод] Данные, грозившие сломать физику

Что делать рациональному учёному с невозможным результатом?

Антонио Эредитато настаивает, чтобы интервью с ним велось по скайпу, и чтобы обе камеры были включены. Это мужчина чуть старше среднего возраста, волосы с проседью обрамляют широко раскрытые глаза и точёный подбородок. Он легко улыбается, а его взгляд приковывает внимание, как свет прожектора. Итальянский акцент добавляет лишних гласных в конце произносимых им слов.

Мы беседуем 15 минут перед тем, как он соглашается дать интервью под запись. Он рассказывает, что не хочет поощрять журналистов, способных исказить его слова и выдать сенсационную и недостоверную историю. Он согласился побеседовать со мной по скайпу потому, что я не журналист, а физик и одновременно автор, проведший 13 лет в окопах экспериментальной физики частиц. В итоге он говорит: «Ладно, я посмотрел вам в глаза, я вам доверяю. Возможно, это моя проблема. Возможно, я слишком доверчив, но я вам доверяю». Он смеётся и откидывается на стуле, простирая руки в стороны.
Эредитато — бывший лидер 160 физиков из 13 стран, составляющих коллаборацию OPERA, созданную с целью изучения физики нейтрино. Впервые её предложили собрать в 2000-м, а Эредитато управлял ею с 2008 по 2012 года. Затем зимой 2011 вроде бы случилось что-то невозможное. «Человек, изучавший данные, звонит мне, — рассказывает Эредитато с моего компьютерного экрана. — Он говорит: „Я тут вижу нечто странное“. Он увидел свидетельства того, что нейтрино прошли через 730 км земной коры, от Швейцарии до Италии — а это они должны делать — с такой высокой скоростью, что прибыли на место назначения на 60,7 нс быстрее, чем свет мог пройти бы такое расстояние в космосе — чего не должно быть.

За последние сто лет наблюдения Эйнштейна, согласно которому массивные объекты не могут передвигаться быстрее скорости света в вакууме, встроенные в его специальную теорию относительности, стали краеугольным камнем нашего понимания Вселенной. Если измерения OPERA были верными, они ознаменовали бы первое нарушение этой теории. Это была бы атомная бомба в сердце нашего понимания Вселенной.

Я спрашиваю Эредитато, думал ли он о том, что это должно быть ошибкой. „Не думаю, что было бы честно так говорить, — говорит он мне. — Если так сказать, мы исказим наш анализ. Поэтому когда мы получили намёк на что-то настолько удивительное, то первой реакцией было: давайте разберёмся, почему это так“.

Вольфганг Паули постулировал существование нейтрино в 1930 для решения простой проблемы. Когда ядра испытывают бета-распад, испуская электрон или позитрон, эквивалент электрона из антиматерии, чего-то не хватает. Либо вместе с электроном/позитроном испускается нечто невидимое, или энергия исчезает. Поскольку ни в одном воспроизводимом эксперименте, где что-либо летело, падало, двигалось, сталкивалось, распадалось или не изменялось, не было зафиксировано исчезновения энергии, Паули предложил нейтрино, невидимую частицу, со всеми свойствами, необходимыми для того, чтобы привести бета-распад в соответствие с первым законом термодинамики. Под невидимостью частицы я имею в виду то, что когда нейтрино проходят через материю, они редко оставляют след. Так редко, что на то, чтобы найти физическое свидетельство их наличия в эксперименте (проведённом Фредериком Райнесом и Клайдом Коуэном), ушло почти 30 лет.

Сегодня нейтрино — неотъемлемая часть периодической таблицы Стандартной Модели в физике частиц. Здесь вы найдёте частицы, составляющие материю, перечисленные парами и разделённые на три категории: электронные нейтрино спарены с электронами, мюонные нейтрино — с мюонами, а тау-нейтрино — именно так, с тау. Нейтрино могут превращаться из одного вида в другой. К примеру, электронный нейтрино может осциллировать в мюонный, а мюонный — превратиться в тау. „Нейтринные осцилляции — первые признаки физики за пределами Стандартной Модели, — говорит мне Эредитато. И со смехом добавляет: — Потому мне и нравятся нейтрино“.

Что возвращает нас к эксперименту OPERA. При его задумке существовало уже много свидетельств осцилляции нейтрино, но все они происходили из экспериментов с исчезновением. То есть, свидетельство состояло в том, что исчезали либо электронное, либо мюонное нейтрино. Требовались эксперименты с появлением — это и было целью OPERA. Идея состояла в том, что в ЦЕРН, Европейской организации по ядерным исследованиям в Женеве, создадут луч из мюонных нейтрино, направленный на детектор, закопанный глубоко под итальянской горной грядой Гран-Сассо-д’Италия, в 730 км от источника. Если там будут обнаружены тау-нейтрино, тогда нейтринные осцилляции случаются. В соответствии с традицией специалистов по физике частиц давать экспериментам броские акронимы, проект стал называться OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRracking Apparatus) [проект изучения осцилляций при помощи эмульсионно-отслеживающего аппарата].

Измерение скорости нейтрино при их путешествии от CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso) [Нейтрино из ЦЕРН в Гран-Сассо] до детектора OPERA в предложении не упоминалось. Но в феврале 2011 проект OPERA почти полностью сконцентрировался именно на этом.


Детектор OPERA использует тысячи „кирпичей“ фотографической плёнки

»Думаю, как и любой учёный, я с самого начала был очень, очень, очень скептичен, — говорит Эредитато. — Вы составляете список для проверок: таймер, приёмник, GPS, передатчик от приёмника до детектора… Проверяете всё». Некоторые варианты отмели очень быстро, другие требовали ожидания. К примеру, луч из ЦЕРН нельзя было остановить. Тем временем Эредитато жёстко гонял свою команду. «Представить не можете, как я работал в это время со своими коллегами — проверь то, проверь это, сделай то, сделай это, повтори, снова повтори — мы этим занимались от весны и до 23 сентября!»

Команда проверяла и пробовала все варианты ПО, железа, теории, которые они только могли придумать, каждый шаг, каждую исправленную ошибку, каждую крупицу полученных знаний, свидетельства того, что нейтрино, перемещающиеся быстрее света, незыблемо стояли над всем экспериментом. А потом случилось неизбежное и новости о данных просочились наружу. Люди, не занятые в эксперименте, начали плодить слухи по поводу нарушения теории относительности, о результате, который потряс бы основы физики так, как их не трясли с 1900 года, когда Макс Планк обнаружил квантовую физику. Слухи «распространялись со скоростью света» говорит мне Эредитато.

«А что происходит потом? Вы решаете занять место главы по связям с общественностью. Что сказать: без комментариев? Но тогда все будут тебя обвинять, все журналисты скажут: „А, так вы что-то скрываете. Мы хотим знать, что происходит. Мы платим налоги и поддерживаем вас, у нас есть право знать!“ Или вы делаете заявление». Зловещим голосом он произносит: «Я открыл сверхсветовые нейтрино».

В этом случае всё решал не Эредитато. Крупные экспериментальные объединения вроде OPERA имеют инструкции по обработке спорных результатов и голосуют за то, чтобы анонсировать результаты общественности. Против анонса проголосовало всего несколько человек. «И я их очень уважаю, и они в итоге оказались правы, из-за чего им и респект».

OPERA обнародовала результаты 23 сентября 2011 года на особом семинаре ЦЕРН. Команда не заявляла о том, что обнаружила нарушение теории относительности. Вместо этого использовались фразы вроде «свидетельство» или «открытие», а данные назвали «аномалией». Но этот ключевой нюанс потерялся в сенсации человеческого взаимодействия. И хотя в заголовке, опубликованном The New York Times, была оговорка: «Крохотные нейтрино, возможно, побили космическое ограничение скорости», её не было в статье в The Daily Telegraph («Учёные из ЦЕРН побили рекорд скорости света») или в The Guardian («Учёные заявляют об обнаружении частиц, двигающихся быстрее света»), или в Scientific American («Обнаружены частицы, движущиеся быстрее света»).

Физическое сообщество восприняло новости со скептицизмом, и даже цинизмом. Ни один практикующий профессиональный физик не был готов отказаться от СТО, точно так же, как Вольфганг Паули не был готов отказаться от закона сохранения энергии в 1930-м. Но всё-таки, что, если? С момента подтверждения ключевых догм Стандартной Модели в экспериментах UA1 и UA2 в ЦЕРН в 1983-м, каждое открытие в физике частиц (кроме нейтринных осцилляций) добавляло ещё одну галочку в копилку этой раздражающе священной Стандартной Модели. Как могли специалисты по физике частиц противостоять искушению надеяться, что что-нибудь, что угодно, может взорвать эту область ещё при их жизни?

Даже Эредитато немного надеялся. «Вы выходите на трибуну на научной конференции, на семинаре, и говорите: Ребят, у меня тут есть кое-что, что я не понимаю. Пожалуйста, помогите нам это понять». Он делает паузу и кивает, больше себе самому, чем мне. «Я думаю, это хороший выбор, скромность. И вообще, все мечтали о том, чтобы мы оказались правы. Все».

В одном направлении лежала эпическая прорывная физика, а в другом — потенциальный позор. Должна ли была OPERA подождать? Сколько ещё месяцев можно было анализировать и повторно анализировать результат? Наклоняясь ко мне указывая на меня через камеру, Эредитато объясняет, почему учёный не может игнорировать измерение, даже если оно кажется абсурдным. «Такое нельзя убивать. Природа разговаривает с нами не через теории, а через экспериментальные результаты. Самые худшие данные лучше самой лучшей теории. Если вы ищете разумных результатов, вы никогда не совершите открытия, или, по крайней мере, не совершите неожиданного открытия. Вы можете совершить — противоречивые термины — ожидаемое открытие».

Одно ясно: анонс обеспечил OPERA помощь, на которую она надеялась. Через несколько дней, при помощи операторов луча CNGS, они начали разрабатывать новый подход к измерениям. В оригинальном анализе приходилось использовать статистическую технику, чтобы определять время прихода нейтрино, поскольку луч расходился. Новый подход должен был генерировать нейтрино плотными партиями, чтобы они приходили на детектор совместно, благодаря чему время их прихода будет гораздо проще определять.

На перенастройку луча нейтрино, выполнение эксперимента и анализ результатов ушло два месяца — беспрецедентно быстро для такого сложного эксперимента.

И измерения превышения скорости света никуда не делись. «И тогда мне стало страшно, — говорит Эредитато. — Я сказал: „О, господи“. И не только я, многие люди, очень критично относившиеся к этому, ничего не могли сказать перед лицом этого результата».


Учёный изучает детектор OPERA в национальной лаборатории Гран-Сассо

Эксперименты в физике частиц состоят из сложных детекторов размером с дом и ускорителей частиц. Разработка и постройка начинаются за много лет до получения первых результатов. К тому времени, как детектор и коллайдер уже работают, экспериментаторы разрабатывают ПО для анализа и просеивания данных, и для разделения сигнала и шума, редкого и экзотичного от привычного и скучного, музыки от шума. Они используют свою версию слепого анализа, похожую на двойное слепое тестирование в биомедицине, требующее «закрытой коробки с сигналом». Вместо того, чтобы проверять свои техники на реальных данных, они проверяют их на симулированных данных, созданных так, чтобы воспроизводить реакцию оборудования детектора на известные процессы. В результате, когда они «открывают коробку», их измерения не должны искажаться каким-то осознанным или неосознанным желанием совершить открытие.

Однако данные OPERA по нейтрино быстрее света оставались на месте. Следующим шагом было получить независимое подтверждение от источника вне OPERA, как это принято. К примеру, частицу Хиггса наблюдали как в экспериментах ATLAS, так и CMS. Но не существовало других экспериментов, которые могли бы подтвердить или опровергнуть происходящее на OPERA в течение минимум нескольких лет. Однако, на базе Гран-Сассо был ещё один эксперимент, Large Volume Detector (LVD), который, по крайней мере, мог проверить систему подсчёта времени на OPERA. Идея состояла в том, чтобы убедиться, что часы обоих экспериментов были синхронизованы, сравнивая время прибытия космических лучей из мюонов в обоих детекторах.

«Это был реально потрясающий эксперимент», — говорит мне Эредитато. Оглядываясь на данные, полученные на OPERA за пять лет, исследователи обнаружили период, в котором измерение времени на OPERA работало со сдвигом в 73 нс. Потом у таймера была обнаружена ещё одна ошибка, повлиявшая на эксперимент с уплотнённым пучком: тактовая частота на OPERA не была синхронизирована с частотой пучков. Комбинация двух этих проблем полностью компенсировала опережение в 60 нс, которое было зарегистрировано у прибытия мюонных нейтрино с CNGS.

Источником проблем с таймером оказался оптоволоконный кабель, передававший сигналы времени с GPS с поверхности Гран-Сассо на глубину в 8,3 км, где был расположен детектор OPERA. У кабеля было две хитрых проблемы: во-первых, он был плохо подсоединён, так, что можно было ожидать, что приёмник вообще не будет воспринимать сигналы с него. Если приёмник видит свет, он должен запускать гонку нейтрино к детектору. Если приёмник не видит свет, запуска быть не должно. Но в результате всё получалось не так. Вместо этого этому приёмнику требовалось порядка 73 нс на то, чтобы набрать достаточно световой энергии для запуска нейтрино и активации электроники. В результате электроника отмечала старт нейтрино через 73 нс после того, как они реально покидали стартовую черту в ЦЕРН. «Я мог ожидать, что сигнал либо есть, либо нет. Но сигналов с задержкой не бывает», — говорит Эредитато. Во-вторых, коннектор кабеля, судя по всему, был сдвинут. «Кабель был нормально воткнут где-то за неделю до того, как мы начали сбор данных, и был нормально воткнут, когда мы всё проверяли заново, — говорит Эредитато. — Подлость в том, что между этими событиями, когда мы собирали данные по скорости нейтрино, кабель был воткнут как-то не так».

После нахождения и исправления ошибки измерения скорости нейтрино на OPERA получаются самыми точными в мире. И они идеально соответствуют СТО Эйнштейна. Слабая надежда на существование новой физики, не предсказанной почтенной Стандартной Моделью, умерла. Но работа команды OPERA, нашедшей единственный отошедший кабель среди тысяч электрических каналов экспериментального оборудования, была удивительной. «Я горжусь, — говорит мне Эредитато. — Скажу честно, я всегда считал, что решение найдётся среди странных явлений. Явлений побочного толка, таких, о которых никто и не подумает. Я никогда бы не подумал о такой вещи, как кабель, никогда». И коллаборация тоже не преувеличивала данные, и не делала неподкреплённых заявлений. Они вообще не делали никаких заявлений, и вели расследование в тесном сотрудничестве с другими командами.

Тем не менее, было видно, что кто-то где-то ошибся. Возможно, это был человек, присоединявший кабель, или разработавший приёмник, или кто-то ещё. В марте 2012, когда пыль улеглась, коллаборация OPERA провела ещё одно голосование, чтобы определить, уверены ли участники в лидерах проекта. Каждая организация из участвовавших в проекте имела один голос. Голосование завершилось с результатом 16 против 13 в пользу выражения недоверия, несколько голосовавших воздержалось. Это было далеко от необходимых 2/3 голосов, чтобы считаться большинством и провести импичмент руководства, но достаточно для того, чтобы сообщение было услышано. Лидер OPERA, Эредитато и координатор экспериментов, Дариа Аутиеро, подали в отставку.

В письмо об отставке Эредитато чётко говорилось, что он уходит для блага команды: «в результате огромного интереса со стороны СМИ, коллаборация OPERA оказалась под аномальным, и в некотором смысле, меняющимся давлением. А внешнее давление довольно быстро просачивается внутрь социальной системы из 150 человек, что ведёт к потенциально опасным результатам, к опасности потерять из виду научные цели. Это слишком большой риск. Во избежание этого риска мнение отдельных личностей нужно принести в жертву».

Сделал ли Эредитато что-то плохое? Люди ошибаются. Я провёл 13 лет, работая над экспериментами в SLAC, Фермилаб, Корнеллском университете, ЦЕРН, и даже в давно уже почившем сверхпроводимом суперколлайдере. Возможно, я легче прощаю ошибки, чем люди, которым никогда не приходилось ползать по серверной, соединяя и разводя кабели. Коннекторы отказывают по куче причин, и при наличии тысяч каналов можно с уверенностью заявить, что ни один научный эксперимент не проходил без отказа парочки коннекторов. Обычно их легко найти, но не этот раз. Некоторые говорят, что OPERA должна была провести больше проверок, но ко времени вынесения вотума недоверия прошёл уже целый год. Сколько ещё месяцев им нужно было этим заниматься? Должна ли была их лояльность к СТО вынудить их подождать, пока проблема не найдётся? Нет, они тогда шли бы на поводу у абсурдной концепции, согласно которой учёные должны следовать некоему научному кредо.

Возможно, разочарование, выраженное результатами голосования, говорит о том, как сильно учёные, особенно экспериментаторы, хотят найти что-то новое, что-то непредсказуемое, и как они злятся, когда эта возможность исчезает.

Я спросил Эредитато оценить весь полученный опыт целиком. «Общество любит делить всё на чёрное и белое», — отвечает он. Но в науке ответы не всегда бывают такими чёткими. «Нам нужно быть осторожными, поскольку если мы будем создавать впечатление, что наука никогда не говорит „да“ или „нет“, всегда говорит „возможно“, то лди скажут „Ну тогда науке верить не надо“. Вопрос донесения этого сообщения очень деликатен». Большая часть журналистов, пишущих про науку, не является учёными. «Они относятся к научной информации так же, как к убийствам или похищениям». Касательно лично его роли? «Я узнал, что все мы играем свою роль в этой области».

Сегодня Эредитато — директор Лаборатории физики высоких энергий Бернского университета, и продолжает участвовать в различных экспериментах с нейтрино. Эксперимент OPERA, тем временем, под другим руководством продолжает охотиться за нейтринными осцилляциями и собирать тау-нейтрино. Пока они набрали их четыре штуки.

Рэнсом Стивенс — физик, писатель, технолог, журналист. Его первая научно-популярная книга «Левое полушарие говорит, а правое — смеётся: неуважительное, но точное описание нейробиологических взглядов на талант, навыки, инновации, открытия, искусство и 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] вышла в 2015 году.