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Neutrini e relativita'

venerdì 23 settembre 2011 12:53 PM scritto da Micchan in , , ,

Negli ultimi giorni sono girate in rete e nella stampa generalista le notizie che il gruppo di OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) del CERN a Ginevra, che lavora in collaborazione con i laboratori del Gran Sasso, avrebbero misurato una velocita' dei neutrini maggiore di quella della luce. Il condizionale e' piu' che d'obbligo anche per gli stessi sperimentali che sono guidati dal fisico Antonio Ereditato.
Purtroppo sino a oggi (23 settembre) sino alle 4 del pomeriggio (GMT+1) quando ci sara' il seminario al CERN trasmesso anche in webcast, possiamo solo fare speculazioni, cosa che riesce fin troppo bene a giornali come Repubblica e Corriere. Anzi, ad essere precisi pare che le loro conclusioni le abbiano gia' tratte.

Quello che si sa e' che la traiettoria di 730 km che separa i laboratori del CERN, nei quali i neutrini vengono prodotti dal sincrotrone SPS, dai laboratori del Gran Sasso, in cui ci sono le apparecchiature per rilevarli, e' stata percorsa, mediamente, in 60 ns meno di quanto atteso (errore dichiarato di 6.9(statistico) e 7.4(sistematico) in ns), circa 18 metri, con una variazione relativa rispetto alla velocita' delal luce di +2.5*10^(-5) circa, a 6 sigma.
Se gli esperimenti venissero confermati, anche da gruppi indipendenti come al Fermilab (Chicago) e al T2K (Giappone, KEK@J-PARC), cosa cambierebbe? A livello teorico ovviamente ci sarebbero da ricontrollare le previsioni della relativita' speciale. Non dimentichiamoci pero' che anche un esperimento con risultati di questa portata non distrugge la teoria einstaniana che e' stata testata con successo milioni se non miliardi di volte (ogni volta che al CERN c'e' stata una collisione tra due particelle ad esempio). Una ipotesi e' che la velocita' limite, postulato della teoria, non sia esattamente quella della luce nel vuoto ma un pochino di piu'. Le dirette implicazioni di questo cambiamento sono tutte da scrivere. Ci sara' molto lavoro interessante.
Il secondo punto e' quanto e' difficile fare una misura del genere, non stiamo certo misurando Bolt ai mondiali di atletica. I neutrini, predetti teoricamente da Pauli per spiegare una apparente non conservazione di quantita' fondamentali nel decadimento beta e poi trovati effettivamente nel '56, sono particelle senza carica e con interazione debolissima con il resto della materia. Il problema di assenza di carica e' importantissimo in fisica delle alte energie perche' le particelle non lasciano una traccia rilevabile dall'elettronica tradizionale. Ad esempio al Super-Kamiokande in Giappone usano la radiazione Cherenkov che producono passando attraverso dell'acqua purissima e dei fotomoltiplicatori per riuscire a scovarli. Al Gran Sasso usano una emulsione fotografica (ECC emulsion cloud chamber) che deve essere poi sviluppata, piu' degli electronic detectors (scintillatori plastici) per il real time tracking delle particelle cariche.
E' chiaro che 18 metri su 730 km sono veramente pochi e quindi una misura veramente precisa delle distanze in gioco e' fondamentale, e questo e' il primo punto. Si fa usando il GPS generalmente, come il responsabile di T2K ha spiegato nelle ultime ore. Riguardo al tempo di percorrenza, dato che stiamo parlando di 60 ns (miliardesimi di secondo), bisogna stabilire con precisione quando effettivamente il neutrino e' stato creato al CERN. Non essendo uno sperimentale non so quanto sia facile o meno questa misura. 
Terzo: 730 km sono un "pochino" fuori dall'ambito di validita' della relativita' speciale che postula un sistema inerziale e locale, perfetta approssimazione durante una collisione di due particelle ma 730 km non sono proprio un sistema locale, molto probabilmente correzioni di relativita' generale sono necessarie e per questo mi lascia un po' interdetto l'affermazione riportata dai giornali di Ereditato: "We measure the distance and we measure the time, and we take the ratio to get the velocity, just as you learned to do in high school".
Aggiornamento: su questo punto, l'articolo pare tenere in considerazione alcune correzioni di relativita' generale. Devo ancora capire se hanno scordato qualcosa.
Ultima considerazione: l'esperimento e' concepito per la rivelazione delle oscillazioni dei neutrini. Non mi e' ben chiaro come si associa il neutrino in partenza con il neutrino in arrivo.


Detto tutto cio', un risulato del genere sarebbe estremamente eccitante, ma piano con i titoloni con le immagini di Einstein per il momento.

Aggiornamento: l'articolo e' finalmente in rete: arxiv1109.4897
Prima di tutto e' chiarito come si fanno le misure: non e' una differenza tra tempi di volo ma una differenza tra distribuzioni di probabilita' di emissione e ricezione. 
Il punto di emissione del neutrino al CERN e' praticamente ininfluente, con un errore nella misura finale che influirebbe per circa 0.2ns, dovuto al fatto che i neutrini viaggiano praticamente a velocita' c.

Le sorgenti di errore sistematico riportate sono:
lunghezza della traiettoria (20cm )                                    0.67 ns
punto di decadimento                                                         0.2 ns
punto di interazione                                                           2.0 ns
ritardo UTC (sistema di timing universale)                       2.0 ns
fibre ottiche LNGS (ritardo nelle propagazioni)               1.0 ns
DAQ clock transmission                                                   1.0 ns
FPGA calibration (elettronica)                                          1.0 ns
FWD trigger delay                                                            1.0 ns
CGNS-OPERA GPS syncronization                                 1.7 ns
MC simulation for TT timing  (simulazioni di riferim.)   3.0 ns
TT time response                                                               2.3 ns
BCT calibration                                                                 5.0 ns
Totale (in quadratura)                                                        7.4 ns

Aggiornamento 2: purtroppo causa il fuso orario e la connessione saltellante al video del seminario, non sono riuscito a seguirlo bene quindi non posso formulare giudizi.
Aggiungo pero' come da piu' parti si fa notare che un esperimento nel 1987 quando esplose una supernova e' in contrasto con quello che viene presentato dal gruppo OPERA.
Riassumendo brevemente: nel 1987 arrivano i fotoni dovuti all'esplosione di una supernova, uno degli eventi piu' violenti dell'universo. Dato che la stella era parecchio lontana qualunque cosa abbia emesso lo ha fatto qualche milione di anni fa e quindi quei fotoni hanno viaggiato per tutto quel tempo. Ovviamente, in contemporanea la supernova ha emesso anche dei neutrini che hanno viaggiato sino alla Terra anche loro. L'esperimento Kamiokande in Giappone rivelo' i neutrini, con un anticipo di 3 ore rispetto ai fotoni. Questo era stato facilmente spiegato data la debolissima interazione con la materia dei neutrini che erano sfuggiti piu' facilmente anche dei fotoni dalla massa gassosa densissima della supernova al momento dell'esplosione. Quindi finora nulla di nuovo o inatteso. Il contrasto con l'esperimento OPERA nasce se assumiamo che realmente i neutrini siano piu' veloci della luce e usiamo i dati dell'esperimento che ci dicono anche di quanto lo sono. Ebbene, con un pochino di algebra si giungerebbe al risultato che i neutrini della supernova sarebbero dovuti arrivare qualche anno prima invece che 3 sole ore... tutto qui, a meno di fortuite coincidenze (tipo un altro fascio di neutrini dovuto a qualcos'altro che casualmente arriva quasi in contemporanea con i fotoni della stella...).

4 commenti flash:

Coranali ha detto...

Mani avanti: sono ahimè molto ignorante in fisica, ma nel mio lavoro quotidiano ho dovuto apprendere qualcosa in più riguardo alle dinamiche della comunicazione istituzionale.
Su questo piano, il gruppo di Ereditato, avendo tra le mani una cosa con implicazioni così importanti, si è mosso in modo quantomeno avventato e imprudente.
Le indiscrezioni giornalistiche hanno potuto trovare sfogo prima di un comunicato ufficiale del CERN e prima - cosa fondamentale - della pubblicazione dell'articolo in un archivio ad accesso aperto.
Capisco l'entusiasmo, ma visto che questo tipo di notizie possono avere un effetto boomerang sia sulla credibilità del gruppo di ricerca che su quella del CERN se si rivelano infondate o malfondate, avrebbero fatto meglio a muoversi con maggior trasparenza, circospezione e sangue freddo.
Una notizia come questa stronbazza da sola, non ha bisogno di essere strombazzata. Comunque immagino che presto sapremo se siamo di fronte a una rivoluzione o se annegheranno in un mare di fango o riusciranno a restare a galla.

23 set 2011, 18:01:00
Micchan ha detto...

@coranali
non si sono mossi in modo avventato. Il casino lo ha fatto la stampa non loro. Loro, dopo tre anni di esperimento e di analisi dati hanno scritto l'articolo che oggi e' uscito su arxiv e lo hanno presentato alla comunita' scientifica. Il CERN solo stamane li ha anticipati con un comunicato anche perche' la notizia era troppo importante e non poteva essere ignorata dall'ufficio stampa.
Il team di OPERA mi pare che sappia quello che sta facendo e infatti sono parecchio prudenti, vedi le conclusioni dell'articolo, data la portata dei loro dati. Per quel poco che ho visto del seminario non mi pare abbiano fatto claim assurdi o senza senso ma hanno registrato tutti i commenti che potevano essere utili a controllare e ricontrollare i loro conti.
Che "presto sapremo se hanno ragione" non direi, visto che in ogni caso avremo la necessita' di un esperimento indipendente per confermare e dato che i neutrini sono particolarmente noiosi da rivelare ci vogliono dei mesi o anni, a seconda dell'esperimento, per accumulare la stessa mole di dati che permetta una tale precisione di misura. Oppure si trova subito un inghippo, l'errore sistematico trascurato.

24 set 2011, 01:22:00
Julius ha detto...

Sì, d'accordo, il casino l'ha fatto la stampa - quella italiana (mainstream) brilla per titoloni e pressapochismo, basta leggere il comunicato del CERN e poi fare un confronto con gli articoli pubblicati su Repubblica.it o Corriere.it per averne una triste conferma - ma i giornalisti sono stati probabilmente foraggiati da qualcuno interno o esterno al gruppo di ricerca.
In ogni caso spero sinceramente che se ne continui a parlare.

24 set 2011, 02:32:00
Coranali ha detto...

Scusami, non era Julius, ero io a risponderti, non mi sono resa conto che era attivo il suo login.

24 set 2011, 02:39:00