Оперные страсти вокруг нейтрино
На один сентябрьский день 2011 года все текущие события в мировой физике затмило сообщение о том, чего быть не может: загадочная элементарная частица нейтрино летает быстрее скорости света. Невероятный факт стал широко известен после семинара в ЦЕРНе, где выступили руководители эксперимента OPERA, проходящего в горном подземелье итальянского курорта Гран Сассо.
Не вполне проверенное известие физиков-экспериментаторов тут же распространили все информационные агентства планеты. На короткое время слово «нейтрино» завоевало всеобщую популярность. О непонятной частице узнали даже домохозяйки и младшие школьники. Правда, через 9 месяцев, в июне 2012 года на конференции в Киото «Нейтрино-2012» сенсация с нейтрино была окончательно дезавуирована оглашением результатов проверочных экспериментов коллаборации OPERA. Частица летает как положено, не превышая скорости света, уверенно заявили физики. Оскандалившиеся руководители коллаборации OPERA подали в отставку.
Откуда берутся научные сенсации – их производят ученые или журналисты? И нужны ли сенсации вообще? Об этом я говорила в начале 2012 года с непосредственным участником сенсационных событий с нейтрино – руководителем российской группы исследователей в коллаборации OPERA, начальником сектора Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований Юрием Горнушкиным.
Наталия Теряева: Была ли почва у сенсации со сверхсветовыми нейтрино? То есть ожидался ли изначально необычный результат от эксперимента по измерению скорости нейтрино?
Юрий Горнушкин: Осенью 2011 года, когда эти события только разгорались, я говорил своим более молодым коллегам: не верю, что столь важный результат может быть получен путем, который противоречил моим представлениям о научной работе, моему жизненному опыту. Был целый ряд моментов, которые шли вразрез с принципами научного поиска, научного исследования – их методологическими основами. Если все окажется правдой, мне просто нужно уходить на пенсию, сказал я тогда. Поэтому наша группа не делала никаких заявлений и не выпускала пресс-релизов. Даже когда известный британский физик-теоретик Джон Эллис, работающий в ЦЕРНе, сделал в Дубне как член Ученого совета ОИЯИ доклад о сверхсветовых нейтрино и упрекал нас, что мы молчим, мы не стали торопиться с выводами.
Н.Т.: Что вызывало сомнения вашей группы в правильности сенсационного результата? Ведь уже ходили устойчивые разговоры о ниспровержении ни много, ни мало – специальной теории относительности Эйнштейна…
Ю.Г.: Чтобы объяснить наши сомнения, надо рассказать, как начинался эксперимент по измерению скорости нейтрино – он был «попутчиком» основного эксперимента, для которого создавался детектор OPERA, запущенный в 2008 году. Одновременно готовились и начинались два похожих эксперимента на нейтринном пучке: MINOS в Фермилаб (США) и OPERA в Гран Сассо. Два российских физика – теоретик Геннадий Волков (ПИЯФ им. Б. П. Константинова) и экспериментатор Владимир Аммосов (ИФВЭ, Протвино), авторитетный специалист в нейтринной физике (ныне покойный) – предложили обеим коллаборациям проверить модель, объясняющую распространение нейтринного пучка быстрее скорости света. Согласно этой модели, пучок распространялся быстрее скорости света не потому, что скорость нейтрино ее превышала, нарушая принципы СТО (Специальной теории относительности). Просто для описания движения пучка привлекли дополнительные измерения пространства. Рождающиеся нейтрино могут туда переходить, исчезая в одной точке нашего четырехмерном пространстве и затем появляясь в другой его точке в определенный момент времени. Таким образом, эффективно получается, что нейтрино оказывается в другой точке пространства раньше света. Г. Волков и В. Аммосов к моменту своих докладов в коллаборациях OPERA и MINOS еще не успели опубликовать свою работу в журнале. Она была размещена в электронной базе данных («Can Neutrinos Probe Extra Dimensions?» arXiv:hep-ph/0008032v1). Схема эксперимента Г. Волкова и В. Аммосова по измерению скорости нейтрино включала использование спутника GPS для синхронизации времени.
В этой истории важно еще понимать, что MINOS и OPERA – фактически однозадачные эксперименты. Они настроены на поиск определенных типов осцилляций нейтрино – задача очень сложная и технически, и с точки зрения анализа. Эксперимент стоит дорого, и если решение основной задачи достигается, то эти средства оправдываются. Но жизнь устроена так, что работать несколько лет ради результата в конце эксперимента, когда будут обработаны данные многолетних измерений, – скучновато. Есть еще и прагматические вопросы: молодым людям надо делать диссертации. Для этого нужно получать научные результаты, пусть не выдающиеся, помельче, но интересные с научной точки зрения. Поэтому обычно в рамках основного эксперимента ищут попутные, дополнительные задачи, чтобы извлечь из дорогостоящей установки как можно больше. Сверхсветовые нейтрино и стали таким мелким, попутным экспериментом.
Н.Т.: Значит, фактически сенсация с нейтрино возникла из ничего, на пустом месте?
Ю.Г.: Теории сверхсветовых нейтрино опровергались много раз, и в последний раз – не так давно. Тот же Джон Эллис считал сверхсветовые нейтрино ерундой, потому что это не укладывалось в красоту теоретического построения для объяснения космологических явлений. Но отвергать какие-то модели из-за их чрезмерной смелости – неправильно, потому что иначе тупиковые тропинки не обнаружить. Проверять необычные модели – нормально, даже если приходится замахиваться на основы основ теории относительности. Замахиваться на незыблемые основы – не крамольно, если это делается научно и исполняется правильно с методологической точки зрения.
Бывает, мотивация научного исследования связана с красивой теорией, то есть модель явления с точки зрения теории безупречна и дает точные предсказания. Как Стандартная модель, предсказавшая неминуемость обнаружения бозона Хиггса. А когда особых теоретических предпосылок нет (как у Волкова с Аммосовым), а просто некое предположение (почему бы и нет?), то и ожиданий особых не возникает. Работа в эксперименте по измерению скорости нейтрино состояла в том, чтобы детектировать несколько событий (появление нейтрино) в день, обработать и проанализировать данные, сделать выводы. Уровень хорошей диссертации и только.
Н.Т.: В коллаборации MINOS относились к теории сверхсветовых нейтрино так же спокойно, как в Европе?
Ю.Г.: На детекторе MINOS, только запустив эксперимент, в 2007 году измерили скорость нейтрино и получили большие погрешности. И все же результат (разница между скоростью нейтрино и скоростью света) отличался от нуля в положительную сторону, хотя и не намного: был совместим с нулем. Коллаборация MINOS выпустила об этом работу.
Скорость нейтрино измерялась и до того, были специальные эксперименты в 1977 году, как раз в Фермилаб. Но тогда представления о массе нейтрино были совсем другие (считалось, что масса нейтрино равна нулю), поэтому в эксперименте MINOS хотели убедиться, что скорость нейтрино меньше результата тридцатилетней давности из-за наличия у частицы массы. По разности измеренной 30 лет назад скорости нейтрино и нового результата ее измерений хотели оценить массу нейтрино.
В эксперименте OPERA в 2007 году еще не была достигнута необходимая для достижения результата точность приборов. Для увеличения точности требовались инвестиции в модернизацию системы синхронизации времени – около 200 000 евро. Все это как-то развивалось в течение нескольких лет и делалось всего одним человеком – координатором эксперимента по измерению скорости нейтрино, руководителем лионской группы в коллаборации OPERA, заместителем руководителя коллаборации по научной программе эксперимента Дарио Аутьеро. Ему помогал его аспирант.
Потом произошло следующее. В середине 2011 года Дарио Аутьеро объявил внутри коллаборации, что результат измерений скорости нейтрино, проведенных в течение нескольких лет, тщательно проанализирован и проверен. И, несмотря на все проверки и тщательность анализа, выходит, что скорость нейтрино выше скорости света.
Повторю: сама по себе экзотичность результата вообще не удивительна, но результат нужно проверять. Оказалось, что анализ результата и его проверки делал один и тот же человек – все тот же Дарио Аутьеро. А ведь один человек всегда может ошибиться, тем более в таком сложном деле. Чем серьезнее заявление, тем больше и глубже его нужно проверять.
Н.Т.: Как обычно проверяют экспериментальные результаты?
Ю.Г.: Современные физические эксперименты не делаются в одиночку. Потому что для них нужны очень сложные и масштабные установки, которые создают и используют для исследований коллективы в несколько сотен, а то и тысяч человек – коллаборации ученых и инженеров. Скажем, в коллаборации OPERA – 180 человек, а в экспериментах Большого адронного коллайдера на детекторах ATLAS и CMS работают тысячи человек. И, конечно, невозможно себе представить, чтобы такие массы людей работали рука об руку и коллективно принимали решения. Реально физический анализ в каждом конкретном исследовании (этапы создания установки, обслуживание установки, конструкция детектора, его обеспечение) делает добросовестно и правильно каждый на своем месте.
Анализом данных занимается относительно небольшая группа людей – для этого нужны определенные навыки и профессионализм в этой области. После того, как получены данные с детекторов (как говорят физики – набрана статистика), результаты подвергают физическому и статистическому анализу несколькими методами. Методы в разных коллаборациях немного отличаются. Иногда анализ делается несколькими независимыми группами – одновременно и параллельно. Затем результаты нескольких групп сравниваются, и выбирается тот результат, где статистические ошибки получились меньше. Иногда полученный результат перепроверяется еще раз еще одной независимой группой.
Проверки и перепроверки – очень важный этап исследований. Отходить от него крайне неправильно. Научное исследование должно делаться объективно и непредвзято. Работавший в соседнем корпусе нашей лаборатории Бруно Максимович Понтекорво говорил: если ты получил необычный экспериментальный результат, то его надо пытаться опровергнуть, попробовать «задушить». И если «задушить» не получается, если результат никуда не девается, несмотря на все усилия подвергнуть его сомнению, лишь тогда можно взглянуть на него с доверием. Самое опасное в науке – субъективность, очарованность своим результатом. Этому способствует природа человека – самолюбие, честолюбие, тщеславие.
Н.Т.: Почему же результат, представленный Дарио Аутьеро в коллаборации OPERA, не был подвергнут обычной независимой проверке еще до того, как был объявлен широкой публике на семинаре в ЦЕРНе?
Ю.Г.: Обычно новый результат сначала докладывается на внутреннем семинаре коллаборации, а затем его проверяют. Дарио заявил в коллаборации: результат экстраординарный, мы находимся на пороге важного открытия. Есть информация, что в MINOS над этим тоже интенсивно работают и вот-вот опубликуют. Поэтому на проверки и перепроверки времени нет.
Подавляющее большинство участников коллаборации были против обнародования результата и настаивали на проверках. Создали небольшую экспертную группу, явные противоречия проверялись, но основной результат, хотя и плыл (что было подозрительно), но решительно не менялся.
Дальше начались очень горячие споры в коллаборации, если не сказать больше. Но была небольшая группа энтузиастов в коллаборации (в основном, руководство коллаборации – Антонио Эредитато, его заместитель и председатель совета коллаборации), которую, возможно, стал дразнить запах грядущей Нобелевской премии, и она поддержала Аутьеро.
В августе 2011 года на совещании коллаборации согласились сделать семинар. На тот момент это представлялось так: все тщательно проверено, и ошибки нет. Но слова «тщательно проверено» сами по себе ничего не значат. Можно 10 раз тщательно проверять и ничего не заметить. Нужен свежий взгляд. На совещании составили план проверок, которые требовали времени. Но опять повторяли тезис о конкуренции со стороны американцев, которые вот-вот опубликуют сенсационный результат, а то, что они пока молчали, представили некой хитростью. Потому что и у нас в коллаборации было строго-настрого запрещено об этом рассказывать во внешней среде, чтобы никто не опередил.
Н.Т.: Выходит, Дарио Аутьеро владеет большим даром убеждения…
Ю.Г.: Дарио Аутьеро – человек особенный. Он очень умен, но слишком горячо верит в то, что считает правильным. И переубедить его не просто сложно, а невозможно – его вера в непогрешимость своих знаний и мнений абсолютно безгранична. Было даже так. Во время обсуждения деталей эксперимента по измерению скорости нейтрино ему задавали разные вопросы о работе измерительной аппаратуры, пытаясь обнаружить источник ошибки. И в двух случаях он уверенно утверждал то, чего просто не знал (как оказалось впоследствии).
В одном из случаев речь шла о кварцевых генераторах частоты кварцевых часов, установленных на спутнике GPS и на земле, в тоннеле детектора. Кварцевые генераторы задают стандарты частоты, от которых зависит точность измерения времени в Гран Сассо и в ЦЕРНе с помощью системы GPS. Генератор частоты, что стоит на спутнике GPS, очень точный – атомные часы. Более дешевые генераторы, установленные на земле, – менее точные. В зависимости от того, какая нужна погрешность, можно сверять земные часы со спутниковыми часами через определенные промежутки времени. При сверке раз в сутки из-за разницы частоты набежит погрешность. Если такая погрешность чистоте эксперимента не мешает, то почему бы и не сверять часы раз в сутки. А если нужно измерять время точнее, то приходится очень часто сверяться часы детектора с точными часами спутника GPS.
Дарио спрашивали, не приведет ли погрешность земных часов к ошибке. Он отвечал – нет, синхронизация происходит каждую миллисекунду (0,001 с). А потом оказалось, что каждые 0,6 секунд – в 600 раз реже. То есть он точно не знал, как работает этот блок.
Можно в чем-то и не разбираться, но нужно отдавать себе отчет, что ты в этом не разбираешься, спрашивать экспертов либо самому разобраться. А можно верить, что модель, которой ты описываешь работу устройства, правильная, потому что ты в нее веришь. Возможно, Дарио вполне искренне считал, что понимает, как это должно работать, и своим ответом просто ввел людей в заблуждение.
В сентябре прошлого года, в разгар этой истории, многие из ее участников вспоминали, что было много случаев, когда ученые стояли на пороге больших открытий и, усомнившись в своих результатах, долго их не публиковали. А потом находились другие, более смелые что ли, которые повторяли эти открытия и публиковали результаты от своего имени, получая в награду известность и славу вплоть до Нобелевской премии. Например, Скобельцын наблюдал два или три события рождения позитронов, но не стал об этом широко рассказывать. А потом Андерсон на одном событии получил за открытие позитрона Нобелевскую премию.
Как бы то ни было, был составлен целый план проверок результатов. Это требовало времени. Но руководство коллаборации проявляло поспешность, настаивало, уговаривало. Согласились сделать семинар в ЦЕРНе, где рождался пучок протонов, производивший пучок нейтрино. Были предположения, что ошибка в скорости нейтрино может быть связана с особенностями структуры пучка. И я думал, что эксперты из ЦЕРНа, которые владели знаниями деталей, зададут нужные вопросы, а мы, озадачившись вопросами, начнем вместе с ними проверять. Но произошло противоположное – в ЦЕРНе все было встречено «на ура».
Н.Т.: Вы сейчас говорите о сентябрьском семинаре 2011 года в ЦЕРНе, который и выдал сенсацию широкой публике?
Ю.Г.: Да, именно. В ЦЕРНе возник следующий момент. Мы хотели сделать семинар до публикации результатов, чтобы устно поделиться информацией в широком кругу коллег. Однако, ЦЕРН поставил условие: они проводят семинары только после предварительной публикации. Это на самом деле правильно – легче воспринимать доклад, когда ты уже разобрался в основных его формулах и знаешь детали работы. Но выпуск электронного препринта – это уже обнародование результата. Потом был осторожный пресс-релиз ЦЕРНа, и пресса на основании этой информации сразу подняла шумиху. Все бросились брать интервью у участников экспериментов.…
Нужно еще понимать, что такое научный доклад на семинаре или конференции. Тонкие и сложные нюансы исследования для человека, который не работает долго и плотно в этой области, уловить на слух практически невозможно. Поэтому правильные вопросы могут возникнуть только у очень узких специалистов, которые глубоко в теме. К тому же, современные технические средства представления информации типа PowerPoint имеют настолько мощное воздействие, что просто гипнотизируют аудиторию и помогают ввести ее в заблуждение. Когда тебе показывают, как что-то красиво движется на экране, никаких сомнений в том, что все это работает в действительности, не возникает. Поэтому когда человек с красивыми слайдами бодро рассказывает, все это выглядит очень научно и глубоко, оснований не верить ему – нет. Так в 2011 году, по версии журнала «Nature», Дарио Аутьеро стал физиком года.
Н.Т.: Как и кому удалось обнаружить, что ошибка в измерениях скорости нейтрино была связана с неправильным соединением кабеля?
Ю.Г.: Программа проверок постепенно выполнялась. В декабре 2011 года нашли причину для лишних 8 нс, и первоначальные 70 нс, на которые нейтрино опережали свет, превратились в 62 нс. Это немалая поправка заставила думать, что сенсационный результат не безупречен.
Еще в сентябре на семинаре задавали вопросы, насколько хорошо мы знаем задержку времени в восьмикилометровом оптическом кабеле, соединяющем антенны GPS на поверхности и в подземном тоннеле, где стоит детектор OPERA. Был целый ряд предпосылок, заставлявших сомневаться в этом участке.
Сенсация очень сильно всколыхнула научную мысль, и это – ее положительная сторона. Среди большинства дилетантских идей нашлись разумные и трезвые предложения настоящих экспертов. Известный экспериментатор из Протвино Сергей Денисов рассказал, что в их эксперименте наблюдались сезонные задержки сигнала в таком же оптическом кабеле. С учетом длины нашего кабеля это давало задержку для нейтрино около 10 нс.
Второй факт, заставивший нас подозревать тот же участок кабеля – большая систематическая ошибка в эксперименте MINOS, обусловленная погрешностью измерений задержки в этом кабеле. Схема измерений у них была практически такой же, как в OPERA. И вызывало удивление: почему у нас намного лучше и точнее?
В декабре 2011 года измерили задержку времени в этом кабеле и получили совсем другое значение по сравнению с первоначальным. Потом все почему-то перестало работать. Затем в Гран Сассо приехал Аутьеро, все снова запустили и получили первоначальное значение. Дарио сказал, что мы все напортили, оттого был неправильный результат. Потом в январе все снова измерили и поняли, в чем дело: был плохо вставлен разъем того самого оптического кабеля, соединявшего антенны GPS в тоннеле и на поверхности. В этом блоке момент времени зависел от амплитуды сигнала. За блок и соединение разъемов кабеля отвечали Дарио Аутьеро и группа, которой он руководил. Дарио очень ревниво относился к своему оборудованию, никого из посторонних туда не подпускал. Так же осторожно он поступал и с данными эксперимента – они были недоступны для анализа другими сотрудниками.
Н.Т.: Значит, кабель с самого начала измерений был подключен неправильно?
Ю.Г.: В самом начале эксперимента этот разъем был вставлен правильно, и задержка времени в кабеле была измерена правильно. Потом разъем вставили неправильно, и все измерения скорости нейтрино происходили с неправильно подключенным кабелем. Поэтому считали задержку времени в кабеле равной первоначально измеренному малому значению, и эта ошибка дала ускорение нейтрино на 70 нс по сравнению со скоростью света.
Еще весной и летом прошлого года Дарио Аутьеро задавали вопросы по поводу ошибки измерений с помощью этого кабеля, что было естественно и логично. В любых измерениях аппаратура сначала калибруется, а после измерений ее точность еще раз проверяется. Потому что в процессе измерений состояние приборов могло измениться. Тем более это нужно было сделать в эксперименте, который шел четыре года. Дарио утверждал, что измерял задержку времени в кабеле в 2011 году. Его спросили, когда именно, но он отвечал что-то неопределенное. Потом выяснилось, что измерял он нечто совсем другое, из чего якобы можно сделать косвенное заключении о том, что нужно. Все эти технические погрешности Дарио Аутьеро и его группы и привели к грандиозному недоразумению, которое уже было объявлено супероткрытием века.
Чтобы окончательно закрыть вопрос, в мае нынешнего года был проведен еще один, двухнедельный, сеанс измерения скорости нейтрино. В нем принимали участие все 4 эксперимента Гран Сассо. Все они видят нейтрино и могут их регистрировать, потому что пучок нейтрино очень широкий. Аппаратуру специально настроили на эти измерения, синхронизация была одна и та же, и все увидели одно и то же – сенсация исчезла.
В начале июня в Киото состоялась конференция «Нейтрино-2012». Там в докладе от имени коллаборации OPERA и всех остальных экспериментов представили окончательный результат: скорость нейтрино не превышает скорости света.
Н.Т.: Большой шум по поводу супероткрытия сделал хорошую рекламу физике и эксперименту OPERA. До сих пор такая реклама хорошо удавалась только экспериментам Большого адронного коллайдера. Знаю, что не все ученые одобряют эту работу ЦЕРНа на публику…
Ю.Г.: У резонансной истории со сверхскоростными нейтрино, безусловно, есть положительные аспекты. Во-первых, она показала, что физики – люди смелые, не зашоренные, не консервативные, готовые ради новой, свежей идеи запросто расстаться с тем, к чему все уже привыкли.
Во-вторых, когда об ошибке подключения разъема кабеля еще не было известно, в нескольких крупных лабораториях (в Японии и Америке) стали планировать исследования скорости нейтрино, чтобы повторить эксперимент, и начали выделять на эти исследования деньги. А в ЦЕРНе создали условия для более качественных измерений нейтринного пучка.
Дело в том, что в сентябре проверка результатов по скорости нейтрино на детекторе OPERA велась в фоновом режиме по отношению к основным измерениям осцилляций нейтрино, и структура пучка была не оптимальной, неудобной для измерения скорости нейтрино. Поэтому анализ делался очень сложным статистическим методом, что само по себе вызывало сомнения. После привлечения всеобщего внимания к этой истории в конце 2011 года в ЦЕРНе создали по-другому структурированный пучок с очень короткими сгустками нейтрино – по 3 нс. А сначала они были очень длинными – 60 нс.
Ну, и в-третьих, произошел всплеск активности в генерации новых идей – появились сотни работ с попытками построить модели, объясняющие необычные результаты. Пусть все они были неправильными, но импульс научного поиска – это хорошо. Потому что интерес к научному поиску в обществе угасает (по крайней мере, в России). Когда-то были первыми в космосе мы, а теперь орбитальные станции строит Китай. История всколыхнула не только ученых, но и слои общества, не имеющие отношения к науке. А из интереса обычных людей и складывается развитие науки. То, что теория оказалась ложной – так это бывает. Это не стыдно. А то, что весь конфуз произошел из-за непрофессионального подхода отдельных людей, – это недоработка большой коллаборации.
Коллаборация пережила моральный кризис. По собственной инициативе ушли в отставку руководители коллаборации, чувствуя свою ответственность. Дарио Аутьеро не хотел уходить. На совещании коллаборации он сказал, что ответственности за происшедшее не несет, потому что его якобы торопило руководство экспериментом. И все же он ушел со своего поста. Коллаборация выбрала новое руководство. К сожалению, вся эта история отвлекла нас от основной цели эксперимента, которая очень интересна и сложна, требует концентрации усилий всех участников. Сейчас все вернулось в нормальное русло.
Источник: Открытая Дубна
