Sono stato molto incerto su cosa scrivere dopo avere letto il preprint di OPERA, e soprattutto dopo aver assistito al seminario di oggi pomeriggio che illustrava la misura della velocità apparentemente superluminale dei neutrini. Sono stato incerto perché, come c'era da aspettarsi, avere a disposizione i dettagli della misura provoca spesso più domande che risposte nella testa di un fisico sperimentale. Domande in parte poste dalla platea allo speaker immediatamente dopo il seminario, ma che non hanno comunque avuto risposte complete, soddisfacenti, approfondite, cosa peraltro normale alla fine di un seminario. A riportare più domande che rispose, immagino che quelli di voi in attesa di lumi certi e definitivi potrebbero restare delusi. Come se non bastasse, molti aspetti della misura sono veramente parecchio tecnici, e potrebbe diventare noioso o difficile discuterli. Anche se è probabilmente proprio in quelle tecnicità che si annida la solidità, o la fragilità, del risultato.
Come fa OPERA a misurare la velocità dei neutrini che vengono spediti dal CERN verso i Laboratori del Gran Sasso? La risposta a questa domanda è a una prima occhiata banale. La velocità di un oggetto in movimento a velocità costante può essere misurata con un approccio classico, facendolo viaggiare su una distanza nota e misurandone il tempo di percorrenza. Velocità uguale distanza diviso tempo, e il gioco è fatto. Il problema, in particolare per le misure di oggetti che si muovono molto veloci, è che occorre scegliere una distanza molto grande che si è in grado di misurare con precisione, ed essere altrettanto precisi nel misurare il tempo di percorrenza. Quanto distante? Quanto preciso?
I Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) distano dal punto al CERN da cui parte il fascio di neutrini circa 730 km. OPERA sostiene di aver misurato questa distanza con la precisione di 20 centimetri. Ovvero, che il tragitto che i neutrini percorrono sia esattamente 730534.61 ± 0.20 m. Come viene effettuata questa misura? In sostanza, con rilevamenti geodesici, che in effetti, perlomeno allo stato dell'arte, possono garantire questa precisione anche su distanze così lunghe. Il problema è però che OPERA è sistemato dentro la caverna sotto il Gran Sasso, per cui non è possibile metterci un teodolite sopra, e triangolare direttamente verso nord. La più grande sorgente di incertezza sulla distanza CERN-LNGS è dovuta dunque all'estrapolazione della distanza del tratto finale sotterraneo, misura fatta nel tunnel del Gran Sasso con metodi tradizionali (come sui cantieri stradali) triangolando circa ogni 2 metri. Gli autori sostengono di potersi fidare di quest'ultima misura fino alla precisione citata, ma ovviamente nel pomeriggio sono state sollevate obiezioni. Per esempio, ci si è chiesti quali siano gli effetti delle maree su questa misura. In effetti, l'attrazione lunare modifica la lunghezza del percorso deformando la crosta terrestre. In media queste variazioni si annullano, visto che le misure dei neutrini sono eseguite su lunghi periodi. Il potenziale problema è che la misura della distanza viene invece effettuata su tempi decisamente più brevi, e potrebbe essere possibile che la si stia misurano un momento di massimo o di minimo della deformazione associata alle maree. Lo speaker oggi pomeriggio ha sostenuto caparbiamente che le misure dell'ultimo tratto sotterraneo erano state ripetute più volte in momenti diversi, persino bloccando il traffico del tunnel, e che hanno dato risultati compatibili. Certo, ha obiettato qualcuno, potrebbero essere compatibilmente sbagliate, se fatte sempre nello stesso modo. Ci vorrebbe dunque un modo indipendente per rimisurare la distanza CERN-LNGS, e qualcuno è persino arrivato a proporre la trivellazione di un pozzetto sopra OPERA, per mettere in corrispondenza al rivelatore un teodolite in superficie (peccato che, pare, allo stato attuale nessuno sia in grado di garantire la verticalità di un pozzo trivellato a meglio del 5%, che su una profondità di un chilometro farebbe 50 m di incertezza).
La misura del tempo di percorrenza dei neutrino tra il CERN e il Gran Sasso è persino più complicata. In sostanza, siccome non c'è un sistema intelligente per far parlare i due laboratori in diretta, il momento dell'emissione dei neutrini al CERN e del loro arrivo al Gran Sasso sono registrati indipendentemente, e il calcolo del tempo si può fare garantendo la sincronizzazione perfetta degli orologi di entrambi i laboratori. Il sistema più accurato per sincronizzare due orologi a 730 km di distanza consiste nell'usare due ricevitori GPS. Peccato che il normale sistema GPS garantisca una precisione di sincronizzazione non migliore di 100 ns, troppo per il tipo di misura che si vuole fare. Il CERN e OPERA si sono dati un gran da fare per far scendere la precisione della sincronizzazione a una manciata di nanosecondi, interfacciando le antenne GPS di entrambi i laboratori con degli orologi atomici al Cesio, e a un complesso sistema di misura tarato da ben due istituti di metrologia indipendenti. Se voleste sapere i dettagli, vi lascio andare a spulciare l'articolo: sono veramente complessi, e in generale penso che ci si possa fidare della precisione dichiarate.
Avere i due orologi ottimamente sincronizzati non risolve il problema della misura del tempo di percorrenza, è solo il presupposto minimo per affrontarlo. La questione è che non tutti i neutrini emessi al CERN arrivano fino al Gran Sasso: per quanto ben collimato il fascio si apre a cono lungo la strada, e copre all'arrivo un'area ben più larga del rivelatore di OPERA. Non è dunque possibile associare un evento registrato da OPERA a un preciso neutrino prodotto al CERN, e fare dunque una misura di tempo evento per evento. L'unica cosa che si può fare è una misura collettiva del tempo medio impiegato da tutti i neutrini che arrivano in OPERA, e qui iniziano le note dolenti.
Il fascio di neutrini generato al CERN viene prodotto spedendo dei protoni contro un bersaglio (si formato adroni di vario tipo, che con diverse catene di decadimento finiscono per decadere in muoni e neutrini muonici. Si scremano i primi con un magnete, gli altri proseguono per il viaggio in Italia). I protoni in questione escono dall'SPS, uno degli acceleratori storici del CERN che serve anche come iniettore per LHC. Ed escono in pacchetti per un tempo, detto in gergo tempo di estrazione, che dura circa 10.5 
s, seguito una pausa di 50 ms, e poi da una seconda estrazione che dura di nuovo 10.5 s. Come vedremo, il tempo di estrazione è piuttosto lungo rispetto alle quantità che si vogliono misurare. Come se non bastasse, i protoni (e dunque i neutrini in quanto prodotti secondari) non escono nella stessa quantità nel corso di un'estrazione, il flusso varia nel tempo. E in più, questa variazione di quantità nel tempo è diversa tra la prima e la seconda estrazione, per via di come funziona l'acceleratore. Per ogni estrazione il CERN misura un profilo di quanti protoni (e dunque quanti neutrini) siano stati emessi in ogni istante durante ogni estrazione. Da parte sua, OPERA misura il profilo di quanti neutrini ha visto nel tempo, e poi va a confrontare questo profilo (medio) con la media dei profili misurati al CERN, introducendo nella procedura di confronto uno spostamento temporale che misura dunque il tempo di percorrenza (medio), o, più precisamente, la sua differenza rispetto al tempo di percorrenza della luce.
Questa procedura, per quanto ingegnosa, non è priva di punti oscuri. Per esempio, OPERA usa le due medie di tutti i profili corrispondenti alla prima e seconda estrazione misurati al CERN nel 2009, 2010 e 2011, facendo dunque le ipotesi che i profili siano assolutamente compatibili tra di loro nel corso di un anno (cosa piuttosto probabile, ma che comunque avrei voluto vedere quantificata), e soprattutto tra anni differenti (cosa meno scontata, visto che tra un anno e l'altro l'acceleratore viene spento e riacceso, e le condizioni potrebbero cambiare).
Nella lista dei vari errori sistematici citati nella misura del tempo, non ho visto citato né discusso un potenziale effetto dovuto all'uso di un profilo medio. La cosa che mi ha fatto scattare il campanello di allarme è questo grafico dei risultati dell'aggiustamento del tempo di viaggio usando i due profili mediati sulle tutte le curve dei 3 anni:
Sebbene compatibili nella loro incertezza, qualcuno potrebbe chiedersi se non ci sia una differenza sistematica tra la misura fatta con i dati del 2010 e quella del 2011, e se le cose non potrebbero essere amplificate con l'uso di un profilo mediato sulle sole curve dell'anno in questione