爆炸性发现竟是实验设备bug,大型科学组织败给了1根问题电缆

趣味科研 Ransom Stephens

2011 年,意大利的中微子振荡乳胶径迹(OPERA)合作组宣布,在一次中微子实验中发现了“超越光速的中微子”,如果这一结果真实可靠,将直接打破爱因斯坦在上个世纪创建的狭义相对论——OPERA 合作组织因此遭到了来自学界的巨大压力和质疑,舆论也为之哗然。

但随后的验证发现,超光速中微子并不存在:一根有问题的光纤电缆引起的问题造就了这一起令人尴尬的乌龙事件。时任 OPERA 合作组织发言人和领导者的物理学家安东尼奥·艾瑞迪塔托(Antonio Ereditato)引咎辞职。在 5 年之后的 2017 年末,艾瑞迪塔托又一次接受了媒体采访,从一个亲历者的角度讲述了事件背后的真理和错误、质疑和责任。

安东尼奥·艾瑞迪塔托(Antonio Ereditato)坚持通过 Skype 进行“面对面”的采访。这位中年物理学家头发灰白,目光炯炯,下巴轮廓分明。他时常微笑,目光像是聚光灯一样吸引着你的注意力,说话时带有意大利口音。

我们聊了 15 分钟后,他才同意进行录音访谈。他对我说,他不希望记者把他的话加工成耸人听闻的狗血故事。他之所以愿意通过 Skype 接受我的采访,是因为我不是记者,而是一个在实验粒子物理学领域鏖战过 13 年的物理学家和作家。他无法容忍一场(与外行之间)关于行为而不是科学的辩论。最后,他说:“好吧,我看过你的眼睛了,我相信你。也许是我太容易相信别人了,但我相信你。”他放松下来,笑着靠在椅子上,摊开双臂。

现年 62 岁的物理学家安东尼奥·艾瑞迪塔托(Antonio Ereditato)

不可能的数据

艾瑞迪塔托(Ereditato)是中微子振荡乳胶径迹(OPERA)合作组织的前任领导。这个项目在 2000 年被首次提出,现在汇聚了来自 13 个国家的 160 位物理学家,目标是研究中微子物理。艾瑞迪塔托从 2008 年到 2012 年担任 OPERA 的领导。2011 年初,不可思议的事情发生了。艾瑞迪塔托通过电脑屏幕告诉我:“当时正在查看数据的人打电话给我,他说,’我看到了一些奇怪的东西。’”那些数据表明,从瑞士到意大利,中微子在地壳中穿行 454 英里所花的时间,比光在真空中飞行同样的距离还快 60.7 纳秒。这根本不可能!

上个世纪,爱因斯坦创建了狭义相对论,其基本定律之一就是:任何静质量非零的物体,运动速度都不能超过真空中的光速。这已经成为我们理解宇宙的一块基石。如果 OPERA 的测量是正确的,这将成为对相对论的首次挑战——相当于在我们理解宇宙的最核心部分投下一颗原子弹。

我问艾瑞迪塔托,他有没有想过这可能是一个错误。他告诉我:“如果我们一开始就认为结果是错的,这只能说明我们不能以客观公正的角度看待自己的分析。当有迹象表明发生了惊人的事情时,我们的第一反应是:好吧,大家先来看看为什么会是这样。”

1930 年,奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)在解决一个简单的问题时预言了中微子的存在。当时的实验发现,原子核经历 β 衰变时会释放出电子或正电子(电子的反粒子),并出现能量亏损。这部分能量要么就是被衰变过程中逃跑的未知物质带走,要么就是消失了。而任何过程(飞行,下落,移动,碰撞,衰变或者维持不变等等)的可重复实验都从未出现过能量消失,因此泡利提出了中微子假说。他认为,“不可见”的中微子拥有“能使 β 衰变遵守热力学第一定律”所需要的所有性质。“不可见”的意思是,它们穿过物质时几乎不留下任何痕迹。正因如此,科学家花了近 30 年后才首次在实验上观测到中微子存在的证据——这项实验由美国物理学家弗雷德里克·莱因斯(Frederick Reines)和克莱德·科恩(Clyde Cowan)于 1956 年合作完成。

时至今日,中微子已经是粒子物理学标准模型中不可或缺的一部分。中微子可以在这三种不同的类型——电子中微子、μ 子中微子、τ 子中微子——之间相互转化,这被称为中微子振荡。例如,电子中微子可以振荡成 μ 子中微子,μ 子中微子可以振荡成 τ 子中微子。艾瑞迪塔托说:“中微子振荡是超出标准模型的第一个信号。”他笑着补充道,“这正是我喜欢中微子的原因。

这将我们带回到了 OPERA 实验。中微子振荡的所有证据都来自消失型实验(中微子振荡实验分为消失型实验和出现型实验,消失型实验是指检测到的中微子少于无振荡情况下预期的中微子,而出现型实验则是指检测到了中微子源中不存在的中微子)。也就是说,要么有电子中微子消失了,要么有 μ 子中微子消失了。研究人员亟需出现型实验证据的支持,这便是 OPERA 的目标。具体的构想是,位于日内瓦的欧洲核子中心(CERN)产生一束高能 μ 子中微子,射向 454 英里外深埋在意大利格兰萨索山脉(Gran Sasso Mountain)的探测器。假如在那里探测到了 τ 中微子,那就说明在这个过程中发生了中微子振荡。根据粒子物理学的命名传统,“中微子振荡乳胶径迹(Oscillation Project with Emulsion-tRracking Apparatus)”项目就简称为 OPERA。

这项提案没有提到中微子束从 CNGS(CERN Neutrinos to Gran Sasso )到达 OPERA 探测器这一过程的速度测量。但在 2011 年 2 月,OPERA 将研究重点转向了这里。

OPERA 的“探测器墙”。   来源:Alberto Pizzoli/AFP/Getty Images

撼动物理学的基石?

“我觉得我跟任何一位科学家一样,从第一天起,我就非常、非常、非常地怀疑(实验结果)。”艾瑞迪塔托说,“你得列一个检查清单:计时、接收器、GPS、从接收器到探测器的传送器,...所有这些你都得检查。”其中一些可以即时检查完毕,但还有一些需要等待。例如,CERN 的中微子束不能随意关停。与此同时,艾瑞迪塔托和他的团队得更加努力。“你想象不出我是怎么和同事处理这件事的——检查一下这个,再检查一下那个,做做这个,再做做那个,切断流程,做一次,再做一次——我们从春天开始直到 9 月 23 日,一直就是这样!”

这个团队尝试并测试了他们所能想到的每一个软件、硬件和理论的排列组合。通过每一个步骤,修复每一个 bug,还有不断增加的每一点理解,都没能改变超光速中微子出现的事实,这可谓铁证如山。然后,不可避免的事情发生了:数据的消息泄露了。实验之外的人们开始散播关于相对论被颠覆的传言——这一结果可能会撼动物理学的基石。上一次物理学大厦风雨飘摇还是在 1900 年马克斯·普朗克(Max Planck)发现量子物理学的时候。流言“简直在以光速传播”,艾瑞迪塔托感叹道。

“这下怎么办?首先想想你可是在发言人的位置上。你能说:不,无可奉告吗?那每个人都会指责你,所有的记者都会发难:‘嚄,你隐瞒实情啊。我们想知道到底是什么情况。我们是纳税人,给您的研究提供了支持,我们有权知道真相!’或者你也可以发表一个声明,”他换成了一种邪恶的声音接着说:“我发现了超光速中微子。”

在这件事情上,可不只是艾瑞迪塔托说了算。像 OPERA 这样的大型实验合作组织都有一套处理争议的章程,投票结果是大部分成员同意公开实验结果,只有少数人反对。“我非常尊重他们(少数派)的决定。而且最终证明,他们是对的,荣誉嘛。”

2011 年 9 月 23 日,OPERA 在 CERN 的一个特别研讨会上宣布了结果。研究组并没有声称他们观测到相对论被违反的现象,也并没有使用像“证据”或“发现”这样的字眼,而只是称其数据“异常”。但是,这一关键的警告被兴奋的人们忽视了。相比《每日电讯报》(The Daily Telegraph) ——CERN 科学家“打破光速”、《卫报》(The Guardian) ——“科学家称发现超光速粒子”和《科学美国人》(Scientific American) ——“发现粒子的传播速度超过光速”,只有《纽约时报》(The New York Times)标题“小小中微子可能打破了宇宙速度极限”中还留着些许警告的痕迹。

与媒体的狂热相反,物理学界对此持怀疑态度,冷嘲热讽的言论一拥而上。1930 年,泡利不愿意抛弃能量守恒定律,才预言了中微子的存在,现在也没有哪一个专业的物理学家愿意因为中微子超光速而抛弃狭义相对论。但是那又怎样?自 1983 年欧洲核子研究中心(CERN)的 UA1 和 UA2 实验确认了标准模型的核心原则以来,粒子物理学中的每一个发现(除了中微子振荡)都在给这个权威的标准模型增加正确的筹码。粒子物理学家们多么希望能在有生之年看到突破——任何突破,都是他们抵挡不住的诱惑。

即使是艾瑞迪塔托也抱有这样的希望。“你参加一个科学会议,或者一个研讨会,然后你说:‘嗨,伙计们,我有些东西不明白。请帮助我们弄明白它。’”他停顿了一下,更像是对他自己,点了点头。“我觉得谦虚总是好的。不过,每个人都希望我们是对的。每个人!”

要么是史诗般的突破,要么是大写的尴尬。OPERA 该再等等吗?他们该分析、分析,再分析好几个月?艾瑞迪塔托身体前倾,通过摄像头指着我,解释着为什么科学家不能忽视一个看似荒谬的测量结果。“你不能武断地否定……自然跟我们对话的方式不是通过理论,而是通过实验结果。最差的数据也好过最好的理论。如果你寻求合理的结果,那你永远不会有新发现,至少,不会有什么意想不到的新发现。你只能得到些预期内的新发现,但这本身就是一个矛盾的说法——既然是在预期内,那就不是什么新发现。”

漫长的检验

有一件事是肯定的:这一宣布使 OPERA 得到了他们所希望的帮助。几天之后,他们便开始与 CNGS 中微子束的工程师一起,开发一种新的测量方法。原来的分析必须使用统计技术来确定中微子的到达时间,因为中微子束会飞往空间的各个方向。新方法将中微子束缚在一起,这样它们就能全体到达探测器,从而方便研究人员确定它们的到达时间。

重新配置中微子束、进行实验并分析结果,总共花了两个月时间——就这样复杂的实验来说,速度可谓空前。

测量结果依然是,超光速。“那时我开始感到恐慌,”艾瑞迪塔托说,“我惊讶的都不知道该说什么。不止是我,还有很多质疑之前结果的人,在这个结果面前,也都无话可说了。”

一位科学家正在研究 OPERA 的探测器。  来源:Alberto Pizzoli/AFP/Getty Images

粒子物理实验是由复杂的大型探测器系统和众多粒子加速器组成。从设计施工到获得第一批数据须等待数年。当探测器和对撞机启动运行之际,实验人员已经开发出了分析软件来筛选数据:去除背景、提取信号,去除普通的数据、提取罕见的异常,去除噪声、提取有用信号。他们采用盲分析,就像生物医学研究中的双盲测试,需要一个“隐藏的信号盒”。他们在模拟数据上进行测试(模拟数据是通过复制探测器硬件对已知过程的响应而生成的)。这样,当他们“打开盒子”时,测量结果就不会被任何有意或无意的主观意志所影响。

就算这样,OPERA 的中微子数据结果也仍然是,超光速。下一步本该是在 OPERA 之外的其他实验项目中寻找独立的证据,这也是惯常的做法。例如,ATLAS 和 CMS 实验独立地观测到了希格斯粒子。但至少在近几年内不会有任何其它实验可以证实或者否定 OPERA 的观测。不过,在格兰萨索基地“大体积探测器(LVD)”实验至少可以检验 OPERA 的计时系统。这个实验是通过比较宇宙射线中的 μ 子到达各个探测器的时间来确保实验中的所有时钟是同步的。

一根光纤电缆

“这是个‘致命’的实验,”艾瑞迪塔托告诉我。回顾过去五年 OPERA 的数据,研究团队发现,OPERA 的计时系统存在大约 73 纳秒的滞后。接着,他们在计时电路中发现了另一个错误,这影响了束流实验的结果:OPERA 的时钟频率并没有锁定束流时间。这两个问题综合起来就彻底解释了为什么 CNGS 的 μ 子中微子会提早到达 60 纳秒。

问题的根源在一根光纤电缆。它传输着自格兰萨索地表下行 8.3 公里到达 OPERA 探测器的 GPS 计时信号。这根电缆存在两大隐患:首先,如果电缆接触不良,接收器自然不会有任何反应。如果接收器看到了光信号,它就会启动发令枪,表明中微子射向探测器;如果接收器没有看到光信号,则不应该启动发令枪。但这两种情况都没有发生。这个特定的接收器需要 73 纳秒的时间才能获得足够的光能去启动发令枪并触发电子设备;所以,发令枪其实在中微子离开CERN 起跑线 73 纳秒之后才启动。“我本该想到,要么有信号,要么没有信号,不可能得到一个延迟信号。”艾瑞迪塔托说道。其次,电缆的连接器似乎离开了原位。他接着说:“在我们开始采集数据之前的一周,电缆状况良好,当我们再次检查所有设备时,它依然状况良好。闹心的是,就在这中间,我们采集中微子速度的数据时,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了。这下,它的观测结果完全符合爱因斯坦的狭义相对论了——寻找超出标准模型的新物理学的微弱希望彻底破灭。但 OPERA 团队在数千个实验设备的电子通道中找到一根松动电缆的表现是非常出色的。艾瑞迪塔托说:“我很自豪!坦率地说,我一直认为问题在于一些非常奇怪的效应,比如没有人想过的二级效应。我从来没有想过会是(电缆)的问题,从来没有。”合作小组没有夸大数据,也没有作无根据的声明。事实上,他们根本不曾作过任何断言,而是一直在与其他团队密切合作,进行调查。

谁之过?

不过,肯定有人在某个地方犯了错误。也许是连接电缆的人,或者是设计接收器的人,又或者是其他人。2012 年 3 月,随着“超光速”中微子事件尘埃落定,OPERA 合作组织又进行了一次投票,这次是为了确定大家是否对领导抱有信心。每个成员机构都持有一票。最终结果是除去一些弃权票,反对票占 16,支持票占 13。虽然远不到弹劾领导所需的三分之二,但也传达了强烈的不满。OPERA 当时的领导者艾瑞迪塔托,和实验协调人达里奥·奥蒂耶罗(Dario Autiero)辞职了。

艾瑞迪塔托的辞职信明确表示,他辞职是为了团队的利益:“……由于媒体的巨大关切,OPERA 合作组织处于反常状态,在某些方面受到了异常的压力……外部的紧张局势过不了多久就会转移到这个 150 多人的小组内部……这可能会导致危险的后果:失去科学目标……为了避免这么大的风险,个人地位必须退居其次。”

但艾瑞迪塔托做错了什么吗?人人都会犯错。我花了 13 年的时间在斯坦福直线加速器中心(Stanford Linear Accelerator Center,SLAC)、费米实验室、康奈尔、欧洲核子研究中心、甚至是早已废弃的超导超级对撞机上做实验。也许我比那些没有在计数房、布线和连接电缆的工作中团团转的人更加宽容。连接器出现故障的原因有很多,数千个通道,可以肯定地说,没有哪一个粒子物理实验不需要处理一两个“不在状态”的连接器。它们通常很容易找到,但这次不是。有人说 OPERA 应该做更多测试,但在不信任投票的时候,一整年都过去了。他们当时应该再多花几个月呢?对于狭义相对论的“忠诚”应该迫使他们一直等下去,直到有一天终于发现问题吗?不,那样他们会陷入一个荒谬的理念,即科学家必须死守科学信条。

也许,OPERA 合作组的不信任投票所表现出的挫败感证明,科学家,尤其是实验科学家们有多么想找到新的、未知的东西,当希望溜走时他们有多么懊恼。

我请艾瑞迪塔托评价这整段经历。“公众喜欢非黑即白,”他回答道。但科学上的答案并不总是那么干脆利落。“我们必须谨慎,因为如果我们给人的印象是科学从不说‘是’或者‘不是’,而总是说‘也许’,那么人们就会说:‘好吧,那我就不该相信科学。’如何去传达这个信息是非常微妙的。”大多数科学记者并不是科学家,“他们不懂装懂,就像对待谋杀或绑架一样对待科学信息。”至于他自己的角色呢?艾瑞迪塔托回应:“我想我们都是这个领域的演员。”

目前,艾瑞迪塔托是伯尔尼大学高能物理实验室的主任,并且继续参与各种中微子实验。与此同时,OPERA 组织由新的领导人带领,继续寻找中微子振荡并收集 τ 子中微子。到目前为止,他们已收集到了四个。

(摘自nautil。更多精彩文章请关注仪器+资讯平台:yqj.mumuxili.com!买耗材仪器,找木木西里:www.mumuxili.com!)

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