Případ nadsvětelných neutrin – epilog

Roman Polach  |  Věda

Detaily zveřejněné na workshopu v Itálii ukázaly, jakým způsobem vědci došli k mylnému závěru, že neutrina překračují rychlost světla.

Když byly v září loňského roku zveřejněny výsledky měření rychlosti neutrin experimentu OPERA, většina médií to od počátku prezentovala jako důkaz nesprávnosti Einsteinovy teorie relativity.

Neutrina vysílal CERN ve Švýcarsku a byla zachytávána o 730 kilometrů dál v italské laboratoři Gran Sasso. Vědci tehdy dospěli k překvapivému závěru, že neutrina dorazila zhruba o 60 nanosekund dříve, než měla, což by znamenalo, že tyto částice cestovaly nadsvětelnou rychlostí. Experiment OPERA o pár měsíců později měření zopakoval s kratšími pulzy a neutrina opět zdánlivě dorazila dříve, než měla, což například Česká televize komentovala titulkem: „Chyba vyloučena, neutrina jsou rychlejší než světlo.“

Detektor neutrin v experimentu OPERA (zdroj: CERN)
Detektor neutrin v experimentu OPERA (zdroj: CERN)

Samotní vědci ale byli od počátku k výsledkům italského experimentu skeptičtí. Například strunový fyzik Luboš Motl hned na začátku celé kauzy na svém blogu napsal: „Samozřejmě je toto tvrzení (o nadsvětelných neutrinech) chybné, ačkoliv zatím neumím přesně říct v čem.“

Teoretický fyzik Matt Strassler měl podobný názor: „Ačkoliv většina lidí měla otevřenou mysl, nevzpomínám si, že bych někdy měl nějakou konverzaci se skutečným vědcem, který by si myslel, že (ten výsledek) je pravděpodobně správný .“

V rozporu s experimenty i s osvědčenými teoriemi

Výsledky jiných experimentů a měření – mimo jiné neutrin z výbuchu supernovy v roce 1987 – byly s výsledky Opery v rozporu. Neutrina s mnohem nižší i s vyšší energií dorazila vždy v souladu s Einsteinovou teorií.

Později začaly také vycházet vědecké články, které tvrdily za pomoci teoretických argumentů, že výsledky Opery musí být špatně. Dva fyzikové Andrew Cohen a nositel Nobelovy ceny za fyziku Sheldon Glasgow ve svém článku tvrdí, že nadsvětelná neutrina by musela cestou ztrácet energii pomoci určité formy Čerenkovova záření. Jenže nic takového experiment OPERA nezjistil. Jiná studie zase došla k závěru, že nadsvětelná neutrina by byla v rozporu se zákonem zachování energie.

Poslední ránu Opeře zasadil experiment ICARUS, který sídlí ve stejné laboratoři v Gran Sassu. Vědci měřili ve stejnou dobu rychlost neutrin nezávisle na Opeře a dospěli k závěru, že dorazila přesně na čas, rychlostí světla. Nakonec i vědci z Opery potvrdili, že jejich výsledky byly špatné, došlo k chybě měření. Vedoucí a mluvčí experimentu odstoupili.

Dario Autiero, vedoucí projektu OPERA, při prezentaci výsledků v roce 2011. Později odstoupil (zdroj: CERN)
Dario Autiero, vedoucí projektu OPERA, při prezentaci výsledků v roce 2011. Později odstoupil (zdroj: CERN)

Chyběly odpovědi na malé otázky

Jak je ale možné, že k této chybě vůbec došlo a jak to, že si toho nevšiml nikdo dříve? Pod studií, která celé mediální šílenství rozpoutala, jsou podepsány desítky vědců, kteří několik měsíců pracovali na tom, aby odhalili případný zdroj chyb. Žádné tehdy nenašli.

Již zmíněný Matt Strassler, profesor na Rutgersově univerzitě, v dubnu na svém blogu zveřejnil obsáhlé vysvětlení toho, co se vlastně v experimentu OPERA stalo poté, co byly v září zveřejněny první výsledky. Vychází přitom hlavně z prezentace Maximiliana Sioliho , která proběhla na workshopu v areálu laboratoře v Gran Sassu na konci března:

„Personál Opery udělal, co měl: provedl mnoho zkoumání své práce, aby zjistil, jestli v ní nejsou nějaké chyby. Ale v centru jejich pozornosti byly otázky „vyšší úrovně“. Analyzovali správně data? Neuniklo jim něco během kalkulací zahrnujících speciální a obecnou relativitu, neočekávali například přílet neutrin ve špatném čase? Problémy nižší úrovně typu „funguje každý kabel správně“ nebo „zkontrolovali jsme několikrát každou jednotlivou součást experimentu“ zjevně nebyly na vrcholu agendy.“

Chybu v měření způsobil špatně zapojený kabel

Ke kontrole zařízení, které se používalo k měření času příchodu neutrin, se personál Opery dostal teprve v prosinci. Pro Matta Strasslera je záhadou proč až tak pozdě, podle něj to mělo být prioritou.

Mezi 6.–8. prosincem se vědci dostali k měření intervalu, který uběhne mezi:

  • Okamžikem, kdy je odeslán laserový pulz z GPS zařízení na povrchu (GPS timing equipment) po zhruba 8 kilometrů dlouhé trase do podzemí a do samotné laboratoře Opery, kde je tento pulz přeměněn ve speciálním přístroji na elektrický signál, který je pak odeslán do hlavních hodin (Opera master clock)
  • A okamžikem, kdy hlavní hodiny odešlou časovací pulz k synchronizaci počítačů a zařízení Opery.

Zatímco měření v letech 2006 a 2007 ukázala, že tento interval je 41 000 nanosekund, v prosinci 2011 naměřili interval 41 075 nanosekund. „To muselo způsobit okamžité a značné pozdvižení mezi lidmi v Opeře, kteří měli na starost měření rychlosti neutrin, “ píše Strassler. Je zarážející, že mezi roky 2007 až do konce roku 2011 nebylo toto měření zopakováno.

V následujících dnech v Opeře zjistili, že optický kabel přenášející laserový pulz do zařízení, kde je převáděn na elektrický signál, je špatně zapojený. Když kabel zastrčili správně (až nadoraz), časový interval byl opět správných 41 000 nanosekund. Toto zařízení funguje následujícím způsobem: Když do něj dorazí laserový pulz, začne se v něm generovat elektrické napětí. V okamžiku kdy toto napětí dosáhne pěti voltů, zaregistrují to hlavní hodiny, které vyšlou signál do ostatních zařízení experimentu OPERA.

Optický kabel v počítači: na obrázku vlevo je vidět špatné, vpravo pak správné zapojení (zdroj: blog Matta Strasslera)
Optický kabel v počítači: na obrázku vlevo je vidět špatné, vpravo pak správné zapojení (zdroj: blog Matta Strasslera)

„Když kabel není správně zastrčen, nastane efekt, jaký je ukázaný dole na obrázku. Do bedny nedorazí tolik světla, kolik je očekáváno a to zpomalí rychlost, s jakou elektrické napětí narůstá. To zpozdí okamžik, kdy je dosaženo pěti voltů a tím pádem se zpozdí i časovací pulz hlavních hodin. Tento efekt je několik desítek nanosekund, v závislosti na tom, jakým způsobem je kabel zastrčen,“ píše Strassler.

Jak vznikla chyba v měření. Když je kabel zapojen správně (nahoře), napětí stoupá rychleji, než když je zapojen nesprávně (dole). Tím dojde k prodlevě o několik desítek nanosekund (zdroj: blog Matta Strasslera)
Jak vznikla chyba v měření. Když je kabel zapojen správně (nahoře), napětí stoupá rychleji, než když je zapojen nesprávně (dole). Tím dojde k prodlevě o několik desítek nanosekund (zdroj: blog Matta Strasslera)

Takřka detektivní pátraní pracovníků Opery objevilo ještě další problém, tentokrát v kalibraci hlavních hodin. Ty způsobily rovněž zkreslení výsledků měření, ale opačným směrem než výše zmíněný kabel – naměřily pozdní přílet neutrin. Ale druhý zmíněný efekt byl menší, takže s výsledky měření zas tak moc nezahýbal.

Ale kdy vlastně nastal problém se špatně zastrčeným kabelem a trval po celou dobu trvání experimentu? Vědci vymysleli důmyslný způsob, jak to zjistit. Využili přitom laboratoř se zkratkou LVD, která se nachází jen asi 160 metrů od laboratoře Opery. Obě laboratoře jsou schopné zaznamenávat miony z kosmického záření, přičemž čas od času tyto miony projdou oběma detektory současně. Pohledem na záznamy těchto událostí zjistili, že problém se špatně zastrčeným kabelem nastal někdy v půlce roku 2008 a tento stav trval v podstatě po celou dobu, kdy měření rychlosti neutrin probíhala.

Graf z prezentace Maximiliana Sioliho v Gran Sassu ukazuje, že v půlce roku 2008 nastal posun mezi detektory LVD a OPERA zhruba o 73 nanosekund.
Graf z prezentace Maximiliana Sioliho v Gran Sassu ukazuje, že v půlce roku 2008 nastal posun mezi detektory LVD a OPERA zhruba o 73 nanosekund. Jedno ze zařízení začalo měřit čas špatně. Tento problém trval až do konce roku 2011, kdy byl inkriminovaný kabel zastrčen správně.

Co na to ostatní vědci

Reakce vědecké komunity na celou kauzu je smíšená. Například fyzik Alvaro De Rujula z CERNu řekl serveru Discovery: „Teorie relativity je velmi dobře otestována a konzistentní. Nadsvětelná neutrina byla daleko, daleko za hranicemi pravidel na to, aby se jim dalo byť jen na nanosekundu věřit. To mělo přimět vedení Opery, aby všechno zkontrolovali ještě pečlivěji. Navíc se ukázalo, že to není nějaká záludná chyba, ale špatné připojení, což je úplně ta první věc, kterou zkontrolujete, když se něco nechová tak, jak má.“

Podobný názor má i Matt Strassler. Podle něj se z případu stala klasická ukázka, jak nezacházet s potenciálně senzačním výsledkem. Ačkoliv samotný text studie se drží zkrátka, hovoří pouze o anomálii a vyzývá vědeckou komunitu, aby zkontroloval jejich výsledky, tisková konference CERNu už tak skromná nebyla. Už tím, že ji CERN vůbec zorganizoval, dal médiím signál, že se něco děje: „Neříkejte, že máme anomálii v časování, protože jediná věc, kterou uslyší lidé mimo fyziku, je porušení Einsteinovy relativity.“ Podle Strasslera by bylo lepší, kdyby vědci místo pořádaní velké prezentace v CERNu raději oznámili výsledek na malém workshopu pro fyzikální komunitu a velké řeči si nechali až poté, co bude potvrzen dalším měřením.

Janet Conradová, částicová fyzička z MIT, řekla serveru Discovery, že ona i většina ostatních teoretických fyziků pravidelně dostávají od veřejnosti e-maily typu: „Einstein se mýlil a mohu to dokázat.“ Podle ní mělo být lidem z Opery jasné, že jakákoli zmínka o částicích cestujících rychleji než světlo vyvolá obrovský zájem široké veřejnosti a tiskové oznámení CERNu je v tomto ohledu velmi „barvité“.

Neodborná veřejnost může získat dojem, že ve vědě je tolik chyb, že ji nelze vůbec věřit. To by byl velmi nešťastný závěr,“ dodává Strassler.

Nejčtenější