Dal CERN al Gran Sasso più veloci della luce. E la Relatività?
OPERA, presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, è una collaborazione scientifica che studia i neutrini in particolare i fenomeni di “oscillazione” fra i tre diversi tipi: neutrino elettronico, neutrino tauonico e neutrino muonico. I neutrini studiati dal rilevatore di OPERA provengono direttamente dal CERN, presso Ginevra. Emessi dai protoni accelerati nel Super Proton Synchrotron (SPS), attraversano ben 730 chilometri di crosta terrestre per arrivare ai Laboratori del Gran Sasso. Il lungo tragitto percorso offre la possibilità ai neutrini di oscillare con probabilità apprezzabile, ma non solo. Permette anche agli scienziati di stimare la velocità con cui i neutrini passano da un laboratorio all’altro: un’informazione molto importante per ottenere indicazioni sulla loro massa. Il tutto “semplicemente” misurando la distanza e il tempo di volo. Ebbene, il risultato presentato ieri come preprint dell’articolo ufficiale lascia a bocca aperta: sembra che i neutrini (muonici, nel caso esaminato) abbiano viaggiato con una velocità superiore a quella della luce nel vuoto. Il vantaggio sarebbe di 60 nanosecondi, incompatibile con un errore statistico al di là di ogni ragionevole dubbio: ben 6 (sei!) sigma gaussiane di confidenza. Il problema è che dal 1905, anno di pubblicazione dei lavori di Einstein sulla Relatività Speciale, la velocità della luce è considerata un limite invalicabile per qualsiasi forma di energia in movimento. Più che di scoperta dovremmo parlare di vera e propria rivoluzione, quindi.
Il tragitto compiuto dai neutrini: dal CERN al Gran Sasso, passando sotto le Alpi. (Cortesia: INFN)
I rilevatori di OPERA. (Cortesia: OPERA/CERN)
L’atteggiamento della collaborazione è di estrema prudenza. Durante la conferenza tenuta al CERN nel pomeriggio, uno dei portavoce di OPERA, Dario Autiero, si è limitato a presentare i risultati e illustrare le procedure sperimentali utilizzate, sospendendo prudentemente il giudizio: “Non azzardiamo alcun tipo di interpretazione, teorica o fenomenologica”. Senza dubbio è l’atteggiamento migliore per concentrare l’attenzione della comunità scientifica sul vero problema: confermare i dati sperimentali escludendo ogni possibile errore sistematico nascosto nella procedura sperimentale. Delle possibili interpretazioni ci si occuperà poi: adesso è il tempo di passare al setaccio l’esperimento.
I presenti alla conferenza non hanno risparmiato critiche né domande. Siamo sicuri che gli “effetti di marea” siano stati correttamente analizzati? E la rotazione terrestre? Come si determina il tempo di partenza di un fascio di neutrini? Chi ha ripetuto le analisi in modo indipendente? Le risposte sono sempre state soddisfacenti, o quasi (davvero l’effetto delle forze mareali si media a zero durante un anno?). Il sunto del discorso, comunque, è l’apertura ufficiale della caccia al possibile errore sistematico che eventualmente abbia falsato il risultato.
Esistono precursori di questo esperimento? Sì, ma con risultati contrastanti. Nel 2007 gli scienziati di MINOS, presso il Fermilab, trovarono un risultato simile: neutrini superluminali. Ma l’accuratezza delle misure fu decisamente insufficiente (68 per cento di confidenza: 1 sigma gaussiana) per poter parlare apertamente di grande scoperta. In precedenza (nel 1979 e nel 1987) altri avevano stabilito una velocità inferiore a quella della luce.
I neutrini dotati di massa non hanno cittadinanza nel Modello Standard della fisica delle particelle. Non abbiamo modelli totalmente assodati che ne descrivano il comportamento: è già fisica “oltre il Modello Standard”. Per questo motivo (e per l’onestà che dovrebbe sempre contraddistinguere il metodo scientifico) l’atteggiamento degli scienziati di OPERA è di assoluta trasparenza: niente sensazionalismi e invece pubblicazione “critica” dei risultati. Questa è scienza: altro che fusione fredda segretata da un brevetto.
La struttura causale dello spaziotempo descritto della Relatività Speciale. Pensando alla velocità della luce come a un limite, un neutrino superluminale punterebbe al di fuori della falda del cono, uscendo dal futuro causale dell'evento che l'ha generato. (Cortesia: Caltech)
Se i risultati fossero confermati, quale sarebbe la portata della scoperta? Senza dubbio una revisione del ruolo “assoluto” della luce, ma non necessariamente la morte definitiva della Relatività Speciale. Perché?
L’impianto relativistico della fisica moderna (cioè il ruolo cardine delle trasformazioni di Poincaré) è antecedente ai lavori di Einstein. Il “cuore” matematico della Relatività afferma l’esistenza di una velocità limite e invariante per le forme di energia: chiamiamola k. Ciò che non dice è però quale sia il valore di questo limite. Stabilirlo sarebbe compito della fisica sperimentale. Einstein nel 1905 diede un’interpretazione “fisica” alle trasformazioni del gruppo di Poincaré, esplicitandone il ruolo profondo nello studio dei fenomeni naturali. Ma l’identificazione della velocità della luce c con la velocità limite k fu in un certo senso arbitraria. Lo studio delle trasformazioni di Poincaré dimostra come tutto ciò che si muove con velocità inferiore, uguale o superiore a k persisterà per sempre nella propria relazione con k. Finora abbiamo pensato, sulla scia delle idee di Einstein, che la velocità k fosse quella della luce. In realtà, se il valore limite fosse superiore, non ci sarebbe difficoltà nell’accettare un neutrino che viaggia con velocità superiore a c. Certo, sostituire c con k nelle trasformazioni di Lorentz aprirebbe poi il problema della compatibilità con le equazioni di Maxwell… ma questa è un’altra storia. Ma anche no.
Prima di tirare qualsiasi conclusione è necessario aspettare i controlli incrociati di altre collaborazioni che studiano i neutrini, come MINOS e T2K. Perché “affermazioni straordinarie richiedono prove straordinarie”. Comunque, se mai ci sarà qualcosa da riscrivere, sarà il valore della velocità limite, non la visione relativistica della fisica.
P.S.: Il sempre attento Marco Cattaneo riprende una dichiarazione ufficiale di Mariastella Gelmini. Lasciamo al lettore tutto il piacere di apprezzare la bovina ignoranza della signora Ministro.
The OPERA Collaboraton: T. Adam, N. Agafonova, A. Aleksandrov, O. Altinok, P. Alvarez Sanchez, S. Aoki, A. Ariga, T. Ariga, D. Autiero, A. Badertscher, A. Ben Dhahbi, A. Bertolin, C. Bozza, T. Brugiére, F. Brunet, G. Brunetti, S. Buontempo, F. Cavanna, A. Cazes, L. Chaussard, M. Chernyavskiy, V. Chiarella, A. Chukanov, G. Colosimo, M. Crespi, N. D’Ambrosios, Y. Déclais, P. del Amo Sanchez, G. De Lellis, M. De Serio, F. Di Capua, F. Cavanna, A. Di Crescenzo, D. Di Ferdinando, N. Di Marco, S. Dmitrievsky, M. Dracos, D. Duchesneau, S. Dusini, J. Ebert, I. Eftimiopolous, O. Egorov, A. Ereditato, L. S. Esposito, J. Favier, T. Ferber, R. A. Fini, T. Fukuda, A. Garfagnini, G. Giacomelli, C. Girerd, M. Giorgini, M. Giovannozzi, J. Goldberga, C. Göllnitz, L. Goncharova, Y. Gornushkin, G. Grella, F. Griantia, E. Gschewentner, C. Guerin, A. M. Guler, C. Gustavino, K. Hamada, T. Hara, M. Hierholzer, A. Hollnagel, M. Ieva, H. Ishida, K. Ishiguro, K. Jakovcic, C. Jollet, M. Jones, F. Juget, M. Kamiscioglu, J. Kawada, S. H. Kim, M. Kimura, N. Kitagawa, B. Klicek, J. Knuesel, K. Kodama, M. Komatsu, U. Kose, I. Kreslo, C. Lazzaro, J. Lenkeit, A. Ljubicic, A. Longhin, A. Malgin, G. Mandrioli, J. Marteau, T. Matsuo, N. Mauri, A. Mazzoni, E. Medinaceli, F. Meisel, A. Meregaglia, P. Migliozzi, S. Mikado, D. Missiaen, K. Morishima, U. Moser, M. T. Muciaccia, N. Naganawa, T. Naka, M. Nakamura, T. Nakano, Y. Nakatsuka, D. Naumov, V. Nikitina, S. Ogawa, N. Okateva, A. Olchevsky, O. Palamara, A. Paoloni, B. D. Park, I. G. Park, A. Pastore, L. Patrizii, E. Pennacchio, H. Pessard, C. Pistillo, N. Polukhina, M. Pozzato, K. Pretzl, F. Pupilli, R. Rescigno, T. Roganova, H. Rokujo, G. Rosa, I. Rostovtseva, A. Rubbia, A. Russo, O. Sato, Y. Sato, A. Schembri, J. Schuler, L. Scotto Lavina, J. Serrano, A. Sheshukov, H. Shibuya, G. Shoziyoev, S. Simone, M. Sioli, C. Sirignano, G. Sirri, J. S. Song, M. Spinetti, N. Starkov, M. Stellacci, M. Stipcevic, T. Strauss, P. Strolin, S. Takahashi, M. Tenti, F. Terranova, I. Tezuka, V. Tioukov, P. Tolun, T. Tran, S. Tufanli, P. Vilain, M. Vladimirov, L. Votano, J. -L. Vuilleumier, G. Wilquet, B. Wonsak, J. Wurtz, C. S. Yoon, J. Yoshida, Y. Zaitsev, S. Zemskova, & A. Zghiche (2011). Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS
beam arXiv arXiv: 1109.4897v1
Pacman
Nostradamus
Magical Cat Adventure
Snake