ITIS Galileo: Icarus

Nello speciale di ieri di La7, dopo la messa in onda dello spettacolo teatrale ITIS Galileo di Marco Paolini, andato in onda presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, l'attore ha iniziato a girare per i laboratori spiegando alcuni degli esperimenti presenti nelle viscere della montagna. Il nostro ha ovviamente toccato un grande esperimento come OPERA, diventato famoso per i neutrini più veloci della luce (risultato che poi si è scoperto falsato da un errore sperimentale), spiegando che in effetti l'esperimento non era stato costruito per effettuare misure di velocità sui neutrini (obiettivamente, però, questa misura ha consentito, nonostante tutta la pubblicità forse eccessiva intorno alla presunta scoperta, di scoprire un errore che avrebbe falsato le misure per cui OPERA è stato costruito). L'altro grande esperimento, che ha anche contribuito a suggerire l'esistenza di errori dentro OPERA, presentato da Paolini è stato ICARUS, ideato e progettato dal Nobel Carlo Rubbia.
La filosofia dietro ICARUS, anch'esso un esperimento dedicato alla ricerca sui neutrini, è la stessa che si trova dietro alle classiche camere a bolle. Per camera a bolle si intende una camera riempita con un liquido, preferibilmente idrogeno (se non ricordo male), facilmente ionizzabile: in questo modo, infatti, una particella carica che attraversa il mezzo o che viene creata al suo interno, genera, cedendo energia, una scia di bolle ionizzate dalla cui rilevazione (scattando delle fotografie con una macchina posta sopra la camera) si possono determinare traiettoria, energia, tipo di particella, fino anche all'identificazione del tipo di interazione (in effetti questa parte è facile: una volta identificata la particella, si può confrontare l'interazione con quelle teoricamente previste per capire bene cosa è avvenuto).
In questo genere di rilevatori, ICARUS, come scritto sul sito del Gran Sasso, rappresenta una nuova generazione di camere a bolle: il detector costruito dagli LNGS è potenzialmente in grado di rilevare i passaggi dei neutrini atmosferici, di quelli solari oltre alla ben più ambiziosa osservazione del primo decadimento di un protone, senza dimenticare, comunque, le verifiche delle oscillazioni dei neutrini. Come infatti spiegava ieri Paolini, i neutrini, in natura, sono presenti in tre distinti sapori, se così possiamo dire, ognuno associato a neutrini differenti: abbiamo infatti i neutrini elettronici, i più leggeri e legati alle interazioni che danno come risultati gli elettroni; i neutrini muonici, quelli di mezzo; i neutrini tauonici, quelli più pesanti. L'idea dell'oscillazione, già verificata⁽¹⁾, è che se in un fascio monocromatico di neutrini almeno uno di loro cambia sapore, allora il neutrino possiede una per quanto piccola massa.
ICARUS, prima di mettersi in opera, ha avuto una fase di test con un prototipo che ha fornito questo risultato:

Il prototipo, di 3-ton, ha successivamente portato alla costruzione del rilevatore vero e proprio, un oggetto da 600 ton che si è presto dimostrato all'altezza dei compiti assegnatigli:

Epperò i neutrini potrebbero ancora andare più veloci della luce!

Il titolo, qualora non lo si fosse capito, vuole essere da una parte ironico, ma dall'altra serio, perché non è detto che gli errori sperimentali, anticipati su Science Insider, debbano necessariamente portare a una misura della velocità dei neutrini inferiore rispetto a quella misurata a suo tempo da OPERA.
Ad ogni modo, come scritto nel comunicato ufficiale dell'INFN e riassunto da Peppe su Focus, i problemi riscontrati sono due, uno con la sincronizzazione dei GPS (problema, tra l'altro, già posto nel seminario di presentazione dei dati) e l'altro con una fibra ottica forse collegata male: insomma due problemi ingegneristici, che rendono piuttosto poco corretto il messaggio di tipo calcistico che mi sono ritrovato ieri notte su tumblr:

Einstein nel 1911 1, scienziati del 2011 0

In effetti i grossi problemi con tutta la storia sono stati quando la misura è diventata pubblica. Il problema di fondo, credo, è ed è sempre stato quello che rilevai (come ho anche scritto nella pagina di discussione dalle parti di Moreno) sin dai tempi di Comunicare Fisica: i responsabili degli esperimenti preferiscono lo stile giornalistico e gli annunci strombazzati per raccontare la scienza, e non lo stile, consolidato da secoli, che è caratteristica tipica degli scienziati e che è stato portato nel mondo dei blog da molti ricercatori ed ex-ricercatori. L'idea è quella del far sì che la gente parli in ogni caso degli esperimenti, del CERN, di LHC e dei prodotti correlati, come OPERA in questo caso. L'idea è dunque restare sulla bocca di tutti anche di fronte a dati non completamente verificati, dimenticandosi del vecchio adagio affermazioni eccezionali pretendono prove eccezionali.
Ad ogni modo, prima di chiudere il post, vi segnalo anche il Peppe esplicito e la solita, ottima analisi di Marco. E se poi avete voglia di scherzarci un po' su, passate da Dioniso!

Un periodo così

Bisogna aspettare solo che passi, quindi della novità recente, la presunta conferma dei neutrini superluminali, vi rimando a quello che ho scritto su Doc Madhattan, che è già più di quello che mi va di scrivere in questo periodo. Qui, invece, vi faccio un elenco dei link interessanti in italiano sulla faccenda:

Le Scienze con il primo annuncio e con alcune dichiarazioni di Giovanni Fiorentini
Quindi Amedeo Balbi e Marco Delmastro.

Nel post su FoS, comunque, scrivo qualcosa anche sulle prime osservazioni di una violazione CP nel decadimento del quark charm, che forse è la notizia scientificamente più solida della settimana. Il motivo è molto semplice: la violazione CP osservata non era teoricamente attesa. E visto che questa violazione è legata al fatto che il nostro universo è fatto di materia e non di anti-materia, potete immaginare quanto possa essere importante il risultato se venisse verificato, forse anche più di quello dei neutrini superluminali.

Un po' d'ordine, please

Partiamo dalla fine. Ieri al Dipartimento di Fisica in via Celoria a Milano, Luca Stanco prima e Francesco Villante poi hanno presentato due seminari sulla misura della velocità superluminale dei neutrini. Di novità vere e proprie, in effetti ce n'è una sola, data da Stanca.
Luca è uno dei 15 collaboratori di OPERA che non ha firmato, per vari motivi, il famoso preprint con la misura. Di motivi ce ne sono alcuni, per non essere sicuri già solo della pubblicazione, visto il tipo di risultato che si andava a presentare. Ad ogni modo alcuni di questi, comunque abbastanza noti, sono nell'assoluta certezza che le due funzioni di distribuzione delle probabilità di protoni e neutrini siano identiche. Ricordo, infatti, come già ricordò ieri Stanco, che i neutrini vengono prodotti a partire da un fascio di protoni, che poi sono questi a venire misurati al CERN (abbastanza interessante notare come la differenza di velocità tra protoni e neutrini prodotti è pressoché trascurabile). A questo sono da aggiungere eventuali correzioni al moto della Terra, che sono comunque state fatte e hanno portato ad aumentare il ritardo dei fotoni di circa 2 ns, e la chiarificazione di tutti quegli altri piccoli dettagli che potrebbero contribuire al tempo di volo, senza dimenticare uno studio per capire la presenza di eventuali effetti dovuti all'alternanza di giorno e notte o alla stagionalità. Tutti questi motivi, però, non sono alla base dell'annuncio che Stanco ha diffuso ieri alla chiusura del suo seminario, ovvero che

La collaborazione ha deciso di rinviare di un mese la sottomissione dell'articolo su rivista referata.

Il motivo principale (anche se di motivi ce ne sono due, ma non ho fatto in tempo, uno, ad appuntarlo) è che al CERN stanno preparando dei nuovi treni di protoni appositamente per ripetere la misura sulla velocità del neutrino. Misura che si stanno attrezzando a ripetere sia quelli di MINOS sia quelli di BOREXINO, esperimento adiacente a quello di OPERA.
La seconda parte del pomeriggio è invece passata ascoltando il teorico Villante che ha fatto un breve esame di alcuni (3/4 articoli) tra l'ottantina di preprint usciti da allora su arXiv. Della selezione fatta, oltre all'articolo di Glashow e Cohen, che ha fatto dire in giro un po' dappertutto che l'esperimento di OPERA veniva così falsificato (leggete, ad esempio, Reading science o Tommaso Dorigo dopo l'uscita del preprint di ICARUS sulla faccenda), Villante ha anche tirato fuori dal cilindro un interessante preprint di Micozzi e Bellini che ha animato la discussione nonostante Villante avesse già mostrato come l'idea non era per nulla sufficiente per spiegare il risultato di OPERA. Una spiegazione ottica, o più o meno ottica, è sembrata intrigare non poco i convenuti, ai quali probabilmente è sfuggito un altro preprint, quello di sua maestà sir Michael Berry, scritto tra l'altro insieme con Brunner, uno dei fisici che all'inizio di questo millennio ha lavorato proprio alla superluminalità ottica. Nel loro articolo, sottomesso, per inciso, al Journal of Physics A, arrivano alle stesse conclusioni di Villante, peraltro riproducendo il termine presente nel preprint di Micozzi e Bellini per altre, più brevi vie. E vediamo un po' quale è la storia di questa spiegazione ottica.

Tutto inizia (almeno il mio interesse sulla questione) con la citazione finale di Fast light, fast neutrinos? by Kevin Cahill⁽¹²⁾:

A group velocity faster than $c$ does not mean that photons or neutrinos are moving faster thsn the speed of light.

Il preprint è di appena una paginetta: è una breve analisi nella scrive che è possibile per la velocità di gruppo essere maggiore rispetto a quella della luce, come hanno mostrato alcune osservazioni sperimentali. La storia di queste osservazioni inzia nel 1982⁽¹⁾, ma una interessante collezione di lavori sull'argomento si può trovare in Bigelow⁽⁷⁾ e Gehring⁽¹¹⁾. Sperimentalmente, quando alcuni impulsi viaggiano all'interno di un mezzo altamente dispersivo, possono avvenire una serie di effetti esotici, e uno di questi è una velocità di gruppo negativa, che coincide con una velocità superluminale.
Nei lavori di Bigelow e Gehring non c'è una vera e propria spiegazione teorica. Ad esempio Bigelow propone:

(...) la combinazione di differenti sezioni d'urto d'assorbimento e del tempo di vita medio degli ioni Cr³⁺ sia nei siti di riflessione sia in quelli di inversione all'interno del reticolo cristallino di BeAl₂O₄. L'ondadi propagazione supeluminale è prodotta da un antibuco stretto [612 Hz] nello spettro di assorbimento degli ioni Cr³⁺ nei siti di riflessione dell'alessandrite, e la luce lenta si origina da un ancora più stretto buco nello (8.4 Hz) nello spettro di assorbimento degli ioni Cr³⁺ nei siti di inversione.

Nel modello il gruppo di Bigelow ha anche considerato

(...) l'influenza degli ioni sia nei siti di inversione sia in quelli di riflessione. In più, le sezioni d'urto di assorbimento sono assunte differenti a differenti lunghezze d'onda.

Le frecce indicano le localizzazioni dei siti ionici che hanno simmetria di riflessione o di inversione. Sulla destra, i corrispondenti diagrammi energetici per gli ioni Cr³⁺ per i diversi siti.

In corsa con i neutrini

Saprete già che il mondo dell'informazione è rimasto sconvolto dai dati dell'esperimento Opera sui neutrini superluminari. Anche il sottoscritto si è concentrato per provare a gettare un po' di acqua sul fuoco. Le reazioni alla notizia, infatti, sono state tra le più disparate: si andava dai catastrofisti disperati per il crollo di Einstein e della relatività (speciale e generale) a quelli addirittura contenti, un po' come quei bambini che sono contenti di dirti che hai sbagliato. Personalmente, pur richiedendo, come hanno fatto gli stessi ricercatori di OPERA, una verifica da parte di un altro esperimento, ho pensato bene di sottolineare come la relatività speciale e il modello standard, le due teorie che sarebbero direttamente collegate con il risultato, non crollerebbero né verrebbero falsificate, come invece vorrebbe il pensiero popperiano ben poco amato nel mondo della scienza e della fisica in particolare. Per fare questo ho scritto due post per Doc Madhattan, Waiting the superluminal neutrinos e From maxwell to Einstein. In particolare il primo ha avuto una quantità incredibile di visitatori ed è stato anche segnalato su Oggi Scienza (un grazie a Stefano Dalla Casa, che spero mi legga anche su queste pagine in italiano!). Cercherò, ora, di riassumere la posizione raccontata in quei due brevi post perché mi sembra giusto e doveroso nei confronti dei lettori italiani.
Iniziamo con le equazioni di Maxwell: \[\vec \nabla \cdot \vec E = \frac{\rho}{\varepsilon_0}\] \[\vec \nabla \cdot \vec B = 0\] \[\vec \nabla \times \vec E = - \frac{\partial \vec B}{\partial t}\] \[\vec \nabla \times \vec B = \mu_0 \vec J + \mu_0 \varepsilon_0 \frac{\partial \vec E}{\partial t}\] Queste equazioni vennero pubblicate da James Maxwell in una serie di quattro articoli, dal titolo On Physical Lines of Force, di cui il primo uscì nel 1861, e servono per descrivere il comportamento del campo elettromagnetico. Il problema, all'uscita delle equazioni, non fu tanto la correttezza della descrizione, quanto la loro non invarianza rispetto alle trasformazioni di Galileo. Per accettare il lavoro di Maxwell, quindi, sembrava di dover dire che quelle trasformazioni erano sbagliate. In realtà, più che quelle trasformazioni ad essere sbagliate, semplicemente le equazioni descrivevano un sistema invariante sotto un'altro tipo di trasformazioni di simmetria, le trasformazioni di Lorentz: \[\begin{cases} t' &= \gamma \left( t - \frac{v x}{c^2} \right) \\ x' &= \gamma \left( x - v t \right)\\ y' &= y \\ z' &= z \end{cases}\] E' semplice, almeno in un corso di fisica, ricavare le trasformazioni di Lorentz nel momento in cui si testano le equazioni di Maxwell con le trasformazioni di Galileo: si trovano i termini che non vanno e si modificano opportunamente le seconde per ottenere le prime. Il passaggio dalle trasformazioni, scoperte nel 1887, alla fisica genera poi la relatività speciale di Einstein con tutto quel che ne consegue. Ora, considerando che è possibile definire la velocità della luce usando le costanti $\mu_0$ e $\varepsilon_0$ e che l'elettromagnetismo si fonda proprio sui quanti di luce, sostituire anche all'interno della relatività speciale la presunta velocità dei neutrini misurata da OPERA vorrebbe dire suggerire che i neutrini (che sono fermioni) sono i veri bosoni dell'interazione elettromagnetica! E' con questo spirito che la relatività speciale è da considerarsi corretta anche nel caso di conferma del risultato di OPERA, non incidendo questo realmente sull'universo elettromagnetico, che poi è quello che abbiamo fino ad ora la capacità di sperimentare. E in questo universo la relatività speciale domina. Il risultato di OPERA, se verificato, ci costringerà, però, a proporre una serie di nuove idee. Alcune ho provato io stesso a immaginarle:

1. cambiare l'interazione debole, che è l'unica, insieme alla gravità, che oggi sappiamo influenzi i neutrini⁽³⁾;
2. approfondire un eventuale legame quantistico tra neutrini e spaziotempo⁽⁴⁾;
3. immaginare una nuova interazione esclusiva dei neutrini^(5);
4. altre idee che al momento non mi vengono (o che sono così radicali da non voler raccontare)⁽⁶⁾;

La scienza, in sostanza, avanza in questo modo: c'è qualcuno che investiga un fenomeno e ne ricava dei dati, quindi li espone al pubblico accademico (e a volte anche a quello non accademico) per chiederne una verifica (dei calcoli, se il lavoro è teorico, dei dati, se sperimentale), e quando questa verifica arriva si potrà decidere se siamo di fronte a una scoperta o a un errore (che può essere di calcolo, per una teoria, o statistico, per un esperimento).
La scienza è così: procede a passi, e le sue rivoluzioni, per quanto veloci, hanno bisogno di tempo, ma non spazzano o falsificano le teorie precedenti, quando queste sono efficaci. In fondo le teorie di Newton e Galileo sono ancora qui tra noi, con tutta la loro efficacia. Quindi anche relatività speciale e Modello Standard, nonostante i catastrofisti o i bambini dispettosi, resteranno ancora qui valide. Andranno, ma lo sappiamo già, estese. Bisognerà trovarne i limiti. Ed è questo il nostro compito per il futuro, ed è anche uno dei compiti di LHC e di molti altri esperimenti nel mondo.

P.S.: Mi sembra doveroso, nell'ordine, segnalare nell'ordine una trascrizione del seminario di OPERA e la sua versione registrata per quelli che se lo sono perso; le considerazioni di Marco Delmastro sul preprint di OPERA; quelle inviate a Jon Butterworth, del Guardian, da un componente anonimo di OPERA che non ha firmato il preprint e che ha espresso le sue perplessità (non molto diverse da quelle di Marco) sul risultato diffuso.
Infine mi corre quasi l'obbligo di segnalarvi l'ultima polemica ministeriale firmata Mariastella Gelmini, ma questa, probabilmente, la conoscete già...