威胁要破坏物理学的数据

一个ntonio Ereditato坚持我们的采访是通过Skype进行的，两个摄像头都开着。他的头发灰白，眼睛睁得大大的，下巴轮廓分明。他很容易微笑，他的目光像聚光灯一样吸引你的注意力。意大利口音的人会在单词的末尾加上额外的元音。

我们在同意记录的采访之前，我们谈到了15分钟。他告诉我，他没有愿意从事可能将他的话语变成一个耸人听闻的记者的记者。他同意与我同意Skype的原因是因为我是不是他是一名记者，同时也是一名物理学家和作家，在实验粒子物理学的壕沟中度过了13年。而且，他绝不容忍进入另一场关于行为而非科学的辩论。但最后，他说，“好吧。我看着你的眼睛。我相信你。也许这就是我的问题。也许我太容易相信别人，但我相信你。”他笑着向后靠在椅子上，双臂张开。

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，爱因斯坦观察说，没有巨大的物体可以比吸尘器中的光速更快地行驶，在他的特殊关系理论中载入，已成为我们如何理解宇宙的基石。如果歌剧测量是正确的，它将标志着这一理论的首次违反：我们对宇宙理解的核心中的原子弹。

如果他认为这一定是错误的话，我问埃里特托。“我不认为这是公平的，”埃里特托告诉我。“如果我们这样说，我们会偏见我们的分析。因此，当我们暗示某种东西是如此惊人时，第一次反应是，嗯，让我们找到为什么这么做。“

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，”Ereditato告诉我。他笑着补充道:“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，证据是电子或介子中微子消失了。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。

提案中没有提到测量中微子从CNGS (CERN中微子到格兰萨索)光束到OPERA探测器的速度。但在2011年2月，OPERA将大部分注意力转向了这一点。

我认为是任何科学家，[我]非常非常持怀疑态度，“埃里特达托说。“你制作一份检查清单：定时，接收器，GPS，从接收器到探测器的变送器，...检查一切。”立即检查了一些选择，而其他选择则需要他们等待。例如，Cern Beam无法停止。与此同时，埃里特托努力了。“You could not imagine how I was handling this business with my colleagues—check this, check that, do this, do that, do this, let’s cut the chain, do it again, do it again—we did this from spring to September 23rd!”

该团队尝试并测试了软件，硬件和理论的每一个排列，他们可以想到，通过每一步，他们修复的每一步，他们所获得的每一步，他们所获得的每一步都会赢得了他们所赚取的证据，而不是光中微子的证据就像山一样坚实在实验之上。然后，不可避免地发生了：数据的新闻泄露。实验之外的人们开始讨论违反相对论的讲话，这是最大普朗克发现量子物理学以来，物理学的基础是物理学的结果。谣言“以光速传播”，“伊尔德特州告诉我。

“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，这不仅仅取决于Ereditato。像OPERA这样的大型实验合作都有处理争议的规章制度，并且绝大多数合作伙伴都投票决定公开宣布结果。只有少数人投了反对票。“我非常尊重。他们是对的，最终，荣誉。”

OPERA于2011年9月23日在CERN的一个特别研讨会上公布了它的结果。该团队没有声明它观察到了相对论的违背，也没有使用“证据”或“发现”之类的短语，而是称这些数据为“异常”。但这一关键警告在人类互动的感觉中消失了。而条件句使它变成纽约时报标题为“微小中微子可能已经打破了宇宙速度极限”，但它并没有出现在英国《每日电讯报》(《欧洲核子研究中心科学家突破光速》)或《卫报》(“比科学家发现的光粒子还快”)或者科学美国人(《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?

甚至埃里特托都敢于希望。“你在科学会议上出来，一个研讨会，你开始说，'嘿伙计们，我有一些我不明白的东西。请帮助我们了解。“”他暂停了一秒钟，并对自己嗤之以鼻。“我认为这是一个谦虚的好选择。其次，是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。

他们花了两个月的时间重新配置中微子束，进行实验并分析结果——对于如此复杂的实验来说，这是前所未有的速度。

更快的测量仍然存在。“然后我开始感到恐惧，”埃里特托说。“我说，'哦，我的上帝。'不仅我，很多人在这个结果前面非常关键，他们还没有更多的论点。”

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OPERA的超光速中微子数据依然存在。下一步将是寻求OPERA之外的独立确认，这是通常的做法。例如，ATLAS和CMS实验都观测到了希格斯玻色子。但至少在接下来的几年里，还没有其他实验能够证实或否定OPERA。然而，在格兰萨索基地还有另一个实验，叫做大音量探测器(LVD)，它至少可以检查OPERA的计时系统。这个想法是通过比较宇宙射线介子在各自的探测器中的到达时间来确保每个实验的时钟是同步的。

“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。

计时问题的源头被追踪到一根光纤电缆，该电缆从格兰萨索的表面向下8.3公里到OPERA探测器，携带GPS计时信号。电缆带来了两个潜在的挑战:首先，如果连接不好，人们有理由认为接收器根本不会回应。如果接收器看到了光，它应该发射发令枪，让中微子冲向探测器。如果听筒没有看到灯光，发令枪就不应该开火——这是一个明显的错误。但这两件事都没有发生。相反，这个特殊的接收器花了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的辞职信明确表示，他的辞职是为了他的团队:“……由于媒体的巨大兴趣，OPERA合作组织发现自己处于不正常的、在某些方面不正常的压力之下……外部的紧张局势不需要很长时间就会转移到一个由150多人组成的社会系统内部。可能导致忽视科学目标的潜在危险后果……这样的风险太大了，不能冒险。为了避免这种情况，个人的地位必须退居次要地位。”

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。

我要求埃里特托反思整个经历。“社会喜欢黑白，”他回答说。但科学的答案并不总是如此干净解决。“我们必须要小心，因为如果我们给人的印象，即科学从未说过是或否，总是也许，然后人们说，'好吧，那么我不应该相信科学。”这是非常精致的是如何给出这个消息。“大多数科学记者都不是科学家。“他们假装以与谋杀或绑架相同的方式对待科学信息。”至于他自己的角色？“我了解到，我们是这个领域的所有演员。”

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。