Puzzle del neutrino più veloce della luce dichiarato risolto dalla relatività speciale

Sono trascorse tre settimane dalla straordinaria notizia che i neutrini in viaggio tra la Francia e l'Italia erano stati cronometrati mentre si muovevano più velocemente della luce. L'esperimento, noto come OPERA, ha scoperto che le particelle prodotte al CERN vicino a Ginevra sono arrivate al Laboratorio del Gran Sasso in Italia circa 60 nanosecondi prima di quanto consentito dalla velocità della luce.

Il risultato ha suscitato un'ondata di eccitazione nella comunità dei fisici. Da allora, più di 80 articoli sono apparsi su arXiv nel tentativo di smascherare o spiegare l'effetto. È giusto dire, tuttavia, che la sensazione generale è che il team di OPERA debba aver trascurato qualcosa.

Oggi Ronald van Elburg dell'Università di Groningen nei Paesi Bassi sostiene in modo convincente di aver trovato l'errore.

Innanzitutto, esaminiamo l'esperimento, che è concettualmente semplice: una misurazione della distanza e del tempo.

La distanza è semplice. La posizione della produzione di neutrini al CERN è abbastanza facile da misurare utilizzando il GPS. La posizione del Laboratorio del Gran Sasso è più difficile da definire perché si trova sotto una montagna alta un chilometro. Tuttavia, il team di OPERA afferma di aver fissato la distanza di 730 km a circa 20 cm.

Il tempo di volo dei neutrini è più difficile da misurare. Il team OPERA afferma di poter misurare con precisione l'istante in cui vengono creati i neutrini e l'istante in cui vengono rilevati utilizzando gli orologi a ciascuna estremità.

Ma la parte difficile è mantenere gli orologi alle due estremità esattamente sincronizzati. Il team lo fa utilizzando i satelliti GPS, ognuno dei quali trasmette un segnale orario estremamente accurato dall'orbita a circa 20.000 km di altezza. Ciò introduce una serie di complicazioni extra di cui il team deve tenere conto, come il tempo di percorrenza dei segnali GPS a terra.

Ma van Elburg dice che c'è un effetto che il team di OPERA sembra aver trascurato: il movimento relativistico degli orologi GPS.

È facile pensare che il moto dei satelliti sia irrilevante. Dopotutto, le onde radio che trasportano il segnale orario devono viaggiare alla velocità della luce, indipendentemente dalla velocità dei satelliti.

Ma c'è un'ulteriore sottigliezza. Sebbene la velocità della luce non dipenda dal sistema di riferimento, il tempo di volo sì. In questo caso i quadri di riferimento sono due: l'esperimento a terra e gli orologi in orbita. Se questi si muovono l'uno rispetto all'altro, è necessario tenerne conto.

Quindi qual è il movimento dei satelliti rispetto all'esperimento OPERA? Queste sonde orbitano da ovest a est su un piano inclinato di 55 gradi rispetto all'equatore. Significativamente, è più o meno in linea con la traiettoria di volo dei neutrini. Il loro moto relativo è quindi facile da calcolare.

Quindi dal punto di vista di un orologio a bordo di un satellite GPS, le posizioni della sorgente di neutrini e del rivelatore stanno cambiando. Dal punto di vista dell'orologio, il rivelatore si sta muovendo verso la sorgente e di conseguenza la distanza percorsa dalle particelle osservate dall'orologio è più breve, afferma van Elburg.

Con questo intende minore della distanza misurata nel quadro di riferimento a terra.

Il team di OPERA trascura questo perché pensa agli orologi come a terra non in orbita.

Quanto è grande questo effetto? Van Elburg calcola che dovrebbe far arrivare i neutrini con 32 nanosecondi di anticipo. Ma questo deve essere raddoppiato perché lo stesso errore si verifica a ciascuna estremità dell'esperimento. Quindi la correzione totale è di 64 nanosecondi, quasi esattamente ciò che osserva il team di OPERA.

È impressionante, ma non è detto che il problema sia risolto e spolverato. La revisione tra pari è una parte essenziale del processo scientifico e questo argomento deve reggere il confronto da parte della comunità in generale e del team OPERA in particolare.

Se resiste, questo episodio sarà carico di ironia. Lungi dal rompere la teoria del relativamente di Einstein, la misurazione più veloce della luce si rivelerà un'altra conferma di ciò.

Rif: arxiv.org/abs/1110.2685 : Tempi di volo tra una sorgente e un rilevatore osservati da un satellite GPS.

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