di Luciano M. R. Rota*

Nel settembre del 2011 accadde qualcosa che nella fisica moderna accade molto raramente: un esperimento sembrò contraddire uno dei suoi principi fondamentali. I neutrini prodotti al CERN di Ginevra e rilevati nel laboratorio del Gran Sasso, dopo aver percorso circa 730 chilometri attraverso la crosta terrestre, sembravano essere arrivati in anticipo. Poco, appena una sessantina di miliardesimi di secondo. Ma abbastanza perché, se la misura fosse stata corretta, quelle particelle avessero viaggiato più velocemente della luce. Era in gioco uno dei pilastri della Relatività speciale. Il gruppo OPERA non annunciò di avere smentito Einstein. Al contrario, presentò il risultato con cautela e chiese alla comunità scientifica di contribuire a comprenderlo.

Ma la notizia fece immediatamente il giro del mondo. Per alcune settimane la fisica si trovò davanti a una possibilità che sembrava quasi impensabile. Poi tutto rientrò.

Nei mesi successivi furono individuati problemi nel sistema di temporizzazione, tra cui un collegamento in fibra ottica non perfettamente inserito. Le verifiche successive diedero risultati compatibili con la velocità della luce ed Einstein, per usare la semplificazione dei giornali dell’epoca, potè dormire tranquillo. Sul piano sperimentale, caso chiuso. Ma quando una vicenda tanto dirompente trova nel giro di pochi mesi una spiegazione, vale la pena osservare anche il percorso che ha condotto a quella risposta.

Un risultato impossibile

La prima domanda è forse la più semplice. Che cosa deve fare un gruppo di ricerca quando, dopo i controlli effettuati, continua a trovarsi davanti a un risultato che sembra incompatibile con uno dei principi fondamentali della fisica moderna? Il gruppo OPERA scelse di renderlo pubblico, senza presentarlo come una scoperta definitiva, e chiese alla comunità scientifica di contribuire a comprenderlo. Fu una scelta scientificamente legittima. Un apparato sperimentale di quella complessità può nascondere problemi difficili da individuare, anche dopo controlli accurati. Ma prima ancora se ne può porre un’altra, molto concreta: che cosa si proponeva di misurare OPERA e quale risultato si aspettava?

L’obiettivo principale dell’esperimento non era verificare se i neutrini potessero viaggiare più velocemente della luce. OPERA era stato progettato soprattutto per studiare l’oscillazione dei neutrini, cercando la comparsa di neutrini tau in un fascio inizialmente composto prevalentemente da neutrini muonici. Il risultato sul tempo di volo creò quindi una situazione ancora più singolare: un esperimento concepito per studiare un fenomeno sembrava essersi imbattuto in un altro, inatteso e potenzialmente molto più dirompente.

Che cosa accade quando un esperimento progettato per cercare una cosa sembra scoprirne un’altra? E, soprattutto, fino a che punto deve spingersi la verifica interna prima di rendere pubblico un risultato potenzialmente rivoluzionario? Quando, al contrario, diventa corretto sottoporlo allo scrutinio della comunità scientifica? Nel caso OPERA l’annuncio ci fu. Ed è proprio questo a rendere interessante ciò che avvenne dopo.

Poche settimane che fecero molto rumore

La reazione fu enorme. Perché il problema non erano sessanta nanosecondi. Era ciò che quei sessanta nanosecondi significavano. Se la misura fosse stata corretta, una particella dotata di massa avrebbe percorso la distanza tra CERN e Gran Sasso più velocemente della luce. Non una piccola correzione a una teoria marginale, dunque, ma un risultato che toccava uno dei principi fondamentali della fisica moderna.

La comunità scientifica reagì immediatamente. Seguirono discussioni, critiche, tentativi di interpretazione e nuove verifiche. Ed è qui che la cronologia diventa particolarmente interessante. Nel novembre del 2011 OPERA ripeté la misura utilizzando impulsi molto più brevi del fascio proveniente dal CERN. Il nuovo controllo escluse una possibile fonte di errore sistematico, ma non fece scomparire l’anomalia. Nel febbraio del 2012 la collaborazione comunicò invece di avere individuato due possibili problemi nel sistema di temporizzazione. Uno riguardava un oscillatore utilizzato nella sincronizzazione GPS; l’altro il collegamento in fibra ottica che portava il segnale GPS all’orologio principale dell’esperimento.

A marzo arrivò una verifica indipendente di ICARUS, che misurò un tempo di volo compatibile con la velocità della luce. Nei mesi successivi nuove misure effettuate al Gran Sasso da Borexino, ICARUS, LVD e dalla stessa OPERA diedero tutte risultati compatibili con il limite relativistico. Sul piano sperimentale, dunque, il caso venne sostanzialmente chiarito. Ma proprio questa sequenza rende la vicenda più interessante, non meno. Nel settembre del 2011 i ricercatori avevano dichiarato di avere trascorso mesi a studiare e controllare il risultato senza riuscire a individuare un effetto strumentale che potesse spiegarlo. A novembre una nuova misura sembrò confermare l’anomalia. Pochi mesi dopo furono individuati problemi nella temporizzazione e le verifiche indipendenti ricondussero la velocità dei neutrini entro il limite previsto dalla Relatività.

Non c’è bisogno di mettere in dubbio queste conclusioni per porre una domanda. Che cosa ci insegna questa successione di risultati sul rapporto fra misura, errore e certezza sperimentale? Un risultato può sopravvivere a mesi di controlli, superarne di nuovi dopo essere stato reso pubblico e tuttavia rivelarsi infine prodotto da un problema strumentale. È precisamente così che la scienza individua e corregge i propri errori. Ma è anche una dimostrazione di quanto possa essere difficile stabilire, davanti a un risultato inatteso, quando i controlli siano sufficienti per considerarlo affidabile. Ed è forse questa, più dei sessanta nanosecondi, la parte del caso OPERA che merita ancora oggi di essere ricordata.

Quando il risultato non è quello previsto

La storia della scienza contiene molti esperimenti che hanno prodotto risultati contrari alle aspettative di chi li aveva concepiti. Michelson e Morley cercavano nel 1887 gli effetti del movimento della Terra attraverso l’etere. Non li trovarono. Quel risultato negativo contribuì, negli anni successivi, a modificare profondamente il modo di concepire spazio, tempo e propagazione della luce. La grandezza di quell’episodio non consiste nel fatto che Michelson e Morley avessero previsto correttamente il risultato. Consiste precisamente nel contrario: l’esperimento non disse ciò che la teoria dell’epoca si aspettava che dicesse.

Il paragone naturalmente si ferma qui. Michelson-Morley e OPERA sono esperimenti diversi, condotti in epoche, contesti e con finalità completamente differenti. Ciò che li avvicina è soltanto una questione di metodo: che cosa accade quando un esperimento restituisce un risultato che la teoria accettata non prevedeva? Ed è qui che il caso OPERA diventa interessante anche indipendentemente dalla velocità dei neutrini. La questione non è stabilire oggi se Einstein avesse torto. Non è nemmeno sostenere che i neutrini del 2011 viaggiassero realmente più velocemente della luce. Le verifiche successive non lo hanno confermato. La questione è più semplice e forse più importante: come reagisce la scienza quando un esperimento sembra dire qualcosa che, secondo la teoria accettata, non dovrebbe poter dire?

Scienza, istituzioni e dubbio

La ricerca scientifica non avviene nel vuoto. Avviene nelle università, nei grandi laboratori, nelle collaborazioni internazionali. Richiede finanziamenti, reputazione, consenso, strutture organizzative e migliaia di decisioni umane. Questo non rende la scienza meno affidabile. Significa semplicemente che anche la scienza è un’attività umana.
E proprio per questo è legittimo domandarsi se, davanti a un risultato eccezionalmente anomalo, il processo che porta dalla misura alla sua interpretazione possa essere considerato esclusivamente sperimentale o risenta inevitabilmente anche dell’ambiente scientifico nel quale quella misura viene discussa e valutata.

Non è necessario supporre pressioni, imposizioni o complotti. Basta riconoscere che una misura non viene interpretata nel vuoto. Viene interpretata da esseri umani che conoscono le teorie esistenti e sanno perfettamente quali conseguenze avrebbe un risultato se fosse confermato. Nel caso OPERA le verifiche successive hanno fornito una risposta sperimentale: l’anomalia iniziale non è stata confermata e le nuove misure sono risultate compatibili con la velocità della luce. Questo chiude sostanzialmente la questione della velocità di quei neutrini. Non chiude però tutte le domande che la vicenda suggerisce.

Come si valuta un risultato che contraddice una teoria consolidata? Quanto deve essere forte l’evidenza prima che un’anomalia venga considerata qualcosa di più di un possibile errore? E, all’opposto, quanto deve essere forte una teoria perché il primo sospetto, davanti a un risultato incompatibile, cada inevitabilmente sull’esperimento? Non esiste probabilmente una risposta semplice. Ma proprio questo rende il caso OPERA interessante ancora oggi. E soprattutto rimane una curiosità: perché una vicenda che per alcuni mesi aveva posto alla fisica una domanda straordinaria è ricordata oggi quasi esclusivamente per la risposta — “era un cavo” — e molto meno per la complessa sequenza di controlli, conferme provvisorie, problemi strumentali e verifiche indipendenti che condusse a quella risposta? Verificare ancora?

Sono trascorsi quindici anni. Il caso OPERA non attende un nuovo esperimento per essere considerato scientificamente chiarito. Le verifiche furono effettuate già allora, anche da esperimenti indipendenti, e diedero risultati compatibili con il limite relativistico. Ma questo rende inutile ripetere oggi, con tecnologie di cronometria, geodesia e sincronizzazione ulteriormente migliorate, una misura analoga? La domanda può essere posta senza tentare di resuscitare una vecchia polemica.

La riproducibilità non serve soltanto a risolvere controversie. Serve anche a sottoporre risultati acquisiti a strumenti, precisioni e condizioni sperimentali nuove. Una misura moderna che confermasse ancora una volta il limite relativistico aggiungerebbe una verifica indipendente a quelle già esistenti. Se emergesse invece qualche anomalia, avremmo imparato qualcosa di nuovo. In entrambi i casi la scienza avrebbe vinto.

Ho recentemente riesaminato il caso OPERA in uno studio pubblicato sul Journal of Advances in Physics, Case Study: The Neutrinos That Challenged Einstein, DOI. Lo scopo di quel lavoro, come di queste righe, non è sostenere una teoria alternativa né attribuire responsabilità. Quindici anni dopo, il caso OPERA può essere guardato con maggiore distacco e lasciare spazio a una domanda diversa. Non se quei neutrini abbiano davvero superato la velocità della luce, ma che cosa siamo disposti a mettere in discussione quando un risultato sperimentale sembra contraddire ciò che consideriamo acquisito. L’esperimento? La teoria? O, almeno per il tempo necessario a verificare entrambi, le nostre certezze?

*Independent Researcher, Almere, Paesi Bassi

In foto, l’esperimento Opera nei Laboratori nazionali del Gran Sasso. Crediti: Infn

L'articolo Quando i neutrini fecero tremare Einstein: le domande che il caso OPERA lascia alla scienza proviene da Il Fatto Quotidiano.