有可能破坏物理学的数据

一个Notonio Erieditato坚持认为，我们的面试通过Skype与两个相机进行。只是中年的另一边，他的盐和胡椒发型框架睁大眼睛和凿凿。他很容易微笑，他的目光像聚光灯一样捕捉你的注意力。意大利口音在他的话语结束时增加了额外的元音。

我们谈了15分钟，他才同意接受一次记录在案的采访。他告诉我，他不想让那些可能会把他的话颠覆成耸人听闻的、不真诚的故事的记者参与进来。他同意和我用Skype的原因是因为我不一名记者，但一个物理学家和作家在实验粒子物理学的沟渠中花了13年。他对进入关于行为而不是科学的另一个辩论没有容忍。但最后，他说，“好的。我看着你的眼睛。我相信你。也许这是我的问题。也许我太容易信任，但我相信你。“他笑着笑着靠在他的椅子上，然后打开。

Ereditato是由来自13个国家的160名物理学家组成的OPERA合作项目的前领导人，该项目的目标是研究中微子物理学。该计划于2000年首次提出，2008年至2012年由Ereditato领导。然后在2011年冬末，不可能的事情似乎发生了。“正在看数据的人打电话给我，”Ereditato从我的电脑屏幕上告诉我。“他说，‘我看到了奇怪的东西。’”他看到的证据表明，中微子从瑞士到意大利，穿越了454英里的地壳——这是它们应该做到的——速度如此之快，它们以60.7纳秒的速度到达了地球，比光在外层空间的传播速度还快——这本来是不可能的。

数据泄露的消息。实验之外的人开始八卦相对论的违反，这一结果将动摇物理学的基础。

在上个世纪，爱因斯坦的狭义相对论（theory of狭义相对论）中所揭示的关于真空中没有质量物体的运动速度能超过光速的观察，已经成为我们理解宇宙的基石。如果OPERA的测量是正确的，它将标志着有史以来第一次违反这一理论：在我们对宇宙的理解的核心是一颗原子弹。

我问埃雷迪塔托他是否认为这一定是个错误。“我认为这样说不公平，”埃雷迪塔托告诉我。“如果我们这样说，我们的分析就会产生偏差。因此，当我们得到这一迹象表明某些事情是如此惊人时，第一反应是，好吧，让我们找出原因。”

W1930年，olfgang Pauli为了解决一个简单的问题，假设了中微子的存在。当原子核通过发射电子或正电子(电子的反物质等价物)而经历衰变时，就会少了一些东西。要么是一些看不见的东西和电子或正电子一起被发射出去，要么就是能量必然消失。由于在任何飞行、坠落、移动、碰撞、衰变或停留在原地的可重复实验中，都没有看到过能量消失，泡利提出了中微子，这是一种看不见的粒子，具有使衰变符合热力学第一定律的所有必要属性。所谓不可见，我的意思是当中微子穿过物质时，它们很少留下痕迹。弗雷德里克·莱因斯(Frederick Reines)和克莱德·考恩(Clyde Cowan)花了近30年时间才通过一项实验找到了它们存在的物理证据。

今天，中微子是粒子物理的标准模型元素周期表中不可或缺的一部分。在这里，你会发现组成物质的粒子成对排列，分为三类:电子中微子与电子成对，介子中微子与介子成对，以及tau中微子与，你猜对了，taus。中微子可以从一种味道变成另一种味道。例如，一个电子中微子可以振荡成μ中微子，而μ中微子可以翻转成tau中微子。“中微子振荡是物理学的第一个迹象超过标准模型，“伊利塔托告诉我。笑，他补充道，“这就是我喜欢中微子的原因。”

这让我们回到OPERA实验。当它被构想出来的时候，中微子振荡的证据是丰富的，但所有的证据都来自消失实验。也就是说，证据包括电子或μ子中微子消失。一个外观实验是必要的，这也是OPERA的目标。这个想法是为了让位于日内瓦的欧洲核子研究组织(CERN)产生一束介子中微子，瞄准454英里外意大利格兰萨索山脉(Gran Sasso)深处的一个探测器。如果在那里发现了中微子，那么中微子振荡就会发生。遵循着粒子物理学实验的时髦缩写的传统，“带有乳剂跟踪装置的振荡项目”成为了OPERA。

在提案中未提及从CNG（CERN Neverinos to Gran Sasso）梁从CNG（Cern Neutrinos to Gran Sasso）梁的速度来测量中微子的速度。但在2011年2月，歌剧将其大部分焦点变为恰好。

我像任何科学家一样，我从一开始就非常非常怀疑，”埃雷迪塔托说。“你做一个检查清单：定时、接收机、GPS、从接收机到探测器的发射机……你检查所有东西。”一些选项立即被检查，而另一些选项则要求他们等待。例如，欧洲核子研究所的光束无法停止。与此同时，埃雷迪塔托努力推动他的团队。“你无法想象我是如何与我的同事处理这项业务的检查这个，检查那个，做这个，做那个，做这个，让我们切断链条，再做一次，再做一次我们从春季到9月23日都做了这件事！”

该团队尝试并测试了他们能想到的每一种软件、硬件和理论，通过每一步、每一个修复的错误、每一次获得的理解增量，超光速中微子的证据就像实验上方的山峰一样坚实。然后，不可避免的事情发生了：数据泄露的消息。实验之外的人开始喋喋不休地谈论违反相对论的现象，这一结果会像Max Planck 1900年发现量子物理学一样震撼物理学的基础。埃雷迪塔托告诉我，谣言“以光速传播”。

“然后你做什么?”想象你自己站在发言人的立场。你会说:不，无可奉告?然后所有人都会责备你，所有记者:‘哦，你隐瞒了。我们想知道发生了什么。我们是支持您的纳税人，我们有权知道!’或者你提出要求。”他用一种阴险的口吻补充道:“我发现了超光速中微子。”

在这种情况下，它不仅仅是伊利塔托。像歌剧这样的大型实验合作有章程来处理争议，并投票赞成公众的大部分合作。只有一些人投票反对宣布。“我非常尊重哪个。他们是对的，最终是荣誉。“

歌剧在2011年9月23日在CERN的特别研讨会上宣布其结果。该团队没有说明它已观察到违反相对论，而不是使用“证据”或“发现”等短语，它称为“异常”。但是，在人类相互作用的感觉中丢失了枢轴警告。虽然条件成了纽约时报标题为“微小中微子可能已经打破了宇宙速度极限”，但它并没有出现在每日电报(《欧洲核子研究中心科学家突破光速》)或守护者(“比科学家发现的光粒子还快”)或者科学的美国人(《发现运动速度超过光速的粒子》)

最糟糕的数据总比最好的理论要好。如果你寻找合理的结果，你永远不会有什么发现，或者至少你永远不会有什么意外的发现。

另一方面，物理界对这一声明持怀疑态度，甚至是冷嘲热讽。没有一个职业物理学家愿意放弃狭义相对论，就像1930年沃尔夫冈·泡利不愿意放弃能量守恒一样。不过,如果什么?自从1983年CERN的UA1和UA2实验证实了标准模型的核心原理以来，粒子物理学的每一个发现(除了中微子振荡)都给那个令人讨厌的、古老的标准模型又加了一个复选框。粒子物理学家怎样才能抵制住希望在他们有生之年有什么东西，任何东西，可以打开这个领域的诱惑呢?

就连埃雷迪塔托也敢于抱有希望。“你在一个科学会议上，一个研讨会上出来，你开始说，‘嘿，伙计们，我有一些我不懂的东西。请帮助我们理解。’”他停顿了一下，对自己点了点头，而不是对我。“我认为谦虚是个不错的选择。其次，每个人都在梦想我们是对的。每个人。”

一个方向是史诗般的、开创性的物理学，而另一个方向则是潜在的尴尬。OPERA应该等待吗?他们又要花多少个月的时间来反复分析结果呢?Ereditato身体前倾，通过相机指着我，解释了为什么科学家不能因为一个测量看起来很荒谬而忽略它。“你杀不了它……大自然在与我们对话，不是通过理论，而是通过实验结果。最糟糕的数据总比最好的理论要好。如果你寻找合理的结果，你永远不会有什么发现，或者至少你永远不会有什么意外的发现。你只会让这自相矛盾——一个意料之中的发现。”

有一件事是肯定的:这一声明给OPERA带来了他们所希望的帮助。几天后，CNGS光束的操作人员开始开发一种新的测量方法。最初的分析不得不使用统计技术来确定中微子的到达时间，因为中微子束是在空间中扩散的。新的方法是产生密集的中微子束，这样它们就会一起到达探测器，从而更容易确定它们的到达时间。

需要两个月的时间来重新配置中微子束，进行实验，并分析这种复杂性的实验结果 - 前所未有的速度。

超光速测量仍然存在。“然后我开始感到恐惧，”埃雷迪塔托说。“我说，‘哦，我的天哪。’不仅是我，还有许多非常挑剔的人，在这个结果面前，他们没有更多的争论。”

P摘要物理实验由复杂的、建筑物大小的探测器和探测器组成¹粒子加速器。设计和施工在获得第一个数据前几年就开始了。当探测器和对撞机都启动并运行时，实验人员已经开发出分析软件来筛选数据并将信号从背景中分离出来，将稀有和奇异的信号从普通和平凡中分离出来，将音乐从噪音中分离出来。他们使用了一种盲分析，就像生物医学研究的双盲测试一样，需要一个“隐藏的信号箱”。他们不是在真实数据上测试他们的技术，而是在模拟数据上测试，模拟数据是通过复制探测器硬件对已知进程的响应而产生的。这样，当他们“打开盒子”时，他们的测量不应该因任何有意识或无意识的发现欲望而有偏差。

然而，歌剧的更快的中微子数据持续存在。下一步是在歌剧本身之外寻求独立的确认，这是常见的做法。例如，通过地图集和CMS实验观察到HIGGS。但没有其他实验可以确认或否认歌剧至少几年。然而，在Gran Sasso的基础上，称为大容量检测器（LVD）的另一个实验，至少可以检查Opera的定时系统。该想法是通过比较各自检测器中的宇宙射线μON的到达时间来确保每个实验的时钟。

“这真的是一次杀人实验，”Ereditato告诉我。回顾OPERA 5年的数据，研究小组发现OPERA的时间相差了73纳秒。然后又发现了影响束束实验的计时电路的另一个错误:OPERA的时钟频率没有锁定在束束的计时上。这两个问题的结合完全解释了CNGS中微子提前60纳秒到达的原因。

定时问题的来源被追踪到光纤电缆，使GPS定时信号从Gran Sasso的表面带到8.3公里到Opera检测器。该电缆提出了两个阴险的挑战：首先，如果连接不佳，人们将合理地期望接收者完全不会回应。如果接收器看到光，它应该射击用于赛车的中微子的起始手枪。如果接收器没有看到灯光，则不应触发起始手枪 - 一个明显的错误。但是这些都没有发生过。相反，它需要这个特定的接收器73纳秒来获取足够的光能发射发令枪并触发电子装置;实际上，发令枪是在中微子离开欧洲核子研究中心的起跑线73纳秒后发射的。“我本以为你要么收到信号，要么没有。但你不会得到延迟信号，”Ereditato说。第二，电缆的接头似乎动了。Ereditato说:“在我们开始采集数据前一周，电缆处于良好的状态，当我们再次检查一切时，电缆处于良好的状态。”“令人讨厌的是，在我们采集中微子速度数据的中间位置，电缆处于一种奇怪的状态。”

随着错误的发现和修正，OPERA对中微子速度的测量现在是世界上最精确的。这完全符合爱因斯坦的狭义相对论。古老的标准模型没有预测到的新物理学的微弱希望破灭了。但是OPERA团队在实验设备的数千个电通道中找到一根松动的电缆的表现是惊人的。“我很骄傲，”Ereditato告诉我。“坦率地说，我一直认为解决方案可能来自非常奇怪的效果。没有人想到的二阶效应。我从没想过(电报)会有这样的事，从来没有。”合作也没有夸大数据，或提出没有根据的主张。事实上，他们根本没有做出任何声明，并且在调查中与其他团队密切合作。

然而，似乎很明显，在某个地方，有人犯了错误。也许是连接电缆或设计接收器的人，或者完全是其他人。2012年3月，随着尘埃落定，OPERA合作组织又举行了一次投票，这次是为了确定合作者是否对实验的领导者有信心。每个成员机构有一票。投票结果为16票对13票，赞成不信任，有几人弃权，远低于弹劾领导层所需的三分之二多数，但足以发出强烈的信号。OPERA的领导人Ereditato和实验协调人Dario Autiero都辞职了。

Ereditato’s resignation letter made it clear he was resigning for the benefit of his team: “... as a result of the enormous media interest, the OPERA Collaboration found itself under anomalous and in some respects irregular pressure ... External tensions do not take long to transfer to the inside of a social system comprising over 150 people ... leading to the potentially dangerous outcome of potentially losing sight of scientific objectives ... This is a risk too great to run. To avert it, the position of individuals must take a back seat.”

但是Ereditato做错了什么吗?犯错误的人。我花了13年的时间在SLAC、费米实验室、康奈尔大学、欧洲核子研究中心做实验，甚至在早已废弃的超导超级对撞机上。也许我比那些没有爬过计数室，布线和连接电缆的人更宽容。连接器失败的原因有很多，有成千上万的通道，它可能是安全的说，没有粒子物理实验，不需要处理一个或两个错误的连接器。他们通常很容易找到，但这次不是。一些人说OPERA应该做更多的测试，但到不信任投票的时候，已经过去了整整一年。他们应该再花多少个月?他们对狭义相对论的忠诚是否迫使他们等待直到发现问题?不，那他们就是在利用一个荒谬的概念，即科学家必须坚持科学信条。

也许OPERA合作的不信任投票所表现出的沮丧证明了科学家，尤其是实验学家，是多么想要发现一些新的、一些没有被预测到的东西，当它溜走时，他们是多么的愤怒。

我请埃雷迪塔托对整个经历进行反思。“社会喜欢黑人和白人，”他回答说。但科学上的答案并不总是那么清晰。“我们必须小心，因为如果我们给人的印象是科学从不说是或不是，总是说可能，那么人们就会说，‘好吧，那么我不应该相信科学。’如何传达这一信息是非常微妙的。”大多数科学记者都不是科学家。“他们假装像对待谋杀或绑架一样对待科学信息。”至于他自己的角色？“我知道我们都是这个领域的参与者。”

如今，Ereditato是伯尔尼大学高能物理实验室的主任，并继续参与各种中微子实验。与此同时，OPERA实验有不同的领导者，并继续寻找中微子振荡和收集中微子。到目前为止，他们有四个。

兰塞姆·斯蒂芬斯是一位物理学家、小说家、技术专家和科学作家。他的第一本科普书，左脑会说话，右脑会笑:这是对天赋和技能、创新和发现、艺术和科学的神经科学的不敬(但准确!该片将于2015年10月上映。

本文最初发表于2015年5月的《错误》杂志。