Qué puede haber fallado en la medida de la velocidad de los neutrinos muónicos de OPERA

Me gustan los artículos divulgativos de Adrian Cho; el último en Science es sobre el experimento OPERA y sus neutrinos. No cuenta nada realmente nuevo, pero es una buena síntesis del estado actual de la cuestión. Si tienes acceso a esta revista te recomiendo la lectura de Adrian Cho, “Superluminal Neutrinos: Where Does the Time Go?,” Science 334: 1200-1201, 2 Dec. 2011. Para mí, Cho es todo un referente a seguir en divulgación científica. ¿Qué opina Cho que puede haber fallado en la medida de la velocidad de los neutrinos en el experimento OPERA?

¿Un efecto relativista no considerado? ¿La rotación de la Tierra? ¿Una medida errónea de la distancia? ¿Un problema de sincronización de los relojes? “No, los errores más obvios no deben ser el problema,” dice el físico Robert Plunkett del experimento MINOS del Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory), en Batavia, cerca de Chicago, Illinois, que midió la velocidad de los neutrinos en 2007 y observó que eran superlumínicos, aunque con menor precisión que OPERA. Según Plunkett “los físicos de OPERA son expertos en su trabajo y no han cometido errores tontos.” Sin embargo, la mayoría de los físicos cree(mos) que debe haber un error en la medida de la velocidad de los neutrinos obtenida por OPERA. Muchos sospechan del sistema de GPS (Global Positioning System) utilizado para sincronizar los dos relojes en el CERN y en Gran Sasso que miden el tiempo de vuelo de los neutrinos con una precisión de nanosegundos. De hecho, algunos expertos en GPS tienen dudas sobre si el equipo de OPERA dedicado a este asunto ha podido realizar una medida de tiempos tan precisa como afirman en su artículo. ¿Se descubrirá alguna vez el error? Quizás nunca (ya ha ocurrido otras veces); si un experimento posterior contradice el resultado de OPERA, nadie se preocupará de encontrar el error.

En principio, la medida de OPERA es muy sencilla, medir la distancia recorrida por los neutrinos y dividirlo entre el tiempo que ha durado su viaje. En la práctica, el experimento es muy delicado. Por ejemplo, para medir el momento de producción del neutrino y el momento de su detección se utiliza un sistema de sincronización de dos relojes atómicos basado en receptores GPS de alta calidad. Este sitema “estampa el tiempo” para los protones que se producen en el CERN y para cada neutrino detectado en Gran Sasso. Asignar estas “estampas temporales” es más complicado que leer la hora en un reloj. En el CERN, la señal del GPS llega a un receptor en la sala central de control y necesita propagarse durante 10.085 nanosegundos por una red de cables, sistemas electrónicos y ordenadores hasta llegar al lugar donde será asignada la “estampa temporal” (por ello estos 10.085 nanosegundos han de ser añadidos al momento de salida de los protones). Además, los datos de la lectura del momento de salida de los protones requieren un análisis por ordenador que tarda 580 nanosegundos y que también ha de ser restado a la “estampa temporal.” Además, se han de añadir muchas otras pequeñas correcciones (algunas sumadas y otras restadas). Todo el sistema ha sido calibrado con gran precisión, pero saber el momento de salida de los neutrinos con precisión no es tarea trivial. En Gran Sasso pasa algo similar.

La mayoría de los físicos cree que hay un error sistemático sutil oculto en el experimento OPERA que explica el resultado obtenido (mis dudas apuntan a la “estampa temporal” en Gran Sasso, que Cho decide no discutir en su artículo en Science). ¿Por qué dudamos? Hay muchas razones para dudar de que los neutrinos viajan a una velocidad mayor que la luz en el vacío. Quizás la más importante es que el 23 de febrero de 1987, los físicos japoneses del detector de partículas Super-Kamiokande detectaron un chorro de neutrinos que coincidió con un chorro de luz de una supernova a 180.000 años luz de distancia. Si los neutrinos viajasen a la velocidad medida por OPERA habrían llegado 4 días antes. Pero 4 días antes no se observó ninguno con la energía asociada a la supernova. Más aún, los físicos teóricos han predicho que los neutrinos de OPERA deben radiar energía, pero dicha radiación no ha sido observada ni en OPERA ni en ICARUS.

¿Los físicos de OPERA han medido bien la distancia que han recorrido los neutrinos? Los investigadores de OPERA dedicados a las medidas geodésicas afirman que han medido la distancia con un error de 20 cm, cuando el error tendría que ser de 18 metros para permitir que los neutrinos hubieran viajado a la velocidad de la luz.

¿Los físicos de OPERA han sincronizado bien los relojes en el CERN y en Gran Sasso? Para esta sincronización se han utilizado el sistema de GPS. Algunos expertos han indicado que si dicho sistema no es muy estable podría haber errores de hasta 100 nanosegundos en la sincronización. Estos expertos indican que OPERA debería haber recalibrado la sincronización de los relojes al menos una vez al mes durante la toma de datos. Sin embargo, los físicos de OPERA afirman que lo calibraron en mayo de 2008 y en julio de 2011 y no observaron ningún cambio (más allá de unos pocos nanosegundos en 3 años). Además, las fluctuaciones estadísticas en los GPS deberían conducir a variación aleatoria de la sincronización y es muy improbable que estas fluctuaciones sesgaran la medida en 60 ns.

¿Qué error pueden haber cometido los físicos de OPERA? Mucha gente está apuntando a un error (bug) en el software. Quizás un error tipográfico en un programa de ordenador que sesga el resultado de las medidas (como poner 28 ns donde habría que poner 82 ns). Este tipo de errores humanos son muy díficiles de descubrir y nunca se puede estar seguro al 100% de que no se hayan cometido. El problema de un error de este tipo es que solo los físicos de OPERA serán capaces de descubrirlo.

La solución de este asunto vendrá cuando el equipo de MINOS, en el Fermilab, mejore sus sistemas de medida y repita el experimento que realizaron en 2007 con una precisión comparable a la de OPERA. Sus neutrinos son algo menos energéticos, pero recorren una distancia similar, unos 735 kilómetros entre el Fermilab y los detectores en la mina de Sudán en Minnesota. Los investigadores de MINOS esperan ser capaces de publicar un primer resultado a principios del año 2012, aunque no será tan preciso como el de OPERA. Pero una medida con precisión comparable requerirá más tiempo, quizás un par de años.

En resumen, un buen resumen de Cho sobre el estado actual de la cuestión que he resumido aquí con unos breves párrafos.

16 pensamientos en “Qué puede haber fallado en la medida de la velocidad de los neutrinos muónicos de OPERA

  1. “Más aún, los físicos teóricos han predicho que los neutrinos de OPERA deben radiar energía, pero dicha radiación no ha sido observada ni en OPERA ni en ICARUS.”

    Sabes que ese razonamiento no es correcto Francisco.
    Es una predicción basada en la validez de la relatividad.

    Ya he tratado esto días atrás en detalle (Radiacion Cherenkow, etc).
    No lo voy a repetir aquí.
    ………………………………………………………………..

    He visto en Internet que parece que la clave es la medición (No sé si se ha hecho directamente en OPERA, o por comparación con otros experimentos) no de la relación ‘velocidad-energía’, sino de la relación ‘velocidad-distancia’.

    Parece que disminuye con la distancia.

    Y de tal modo, como si , precisamente, hubiera un ‘trozo’ de recorrido (Unos 18 metros, justamente el ‘adelanto’) que, literalmente, lo ‘salta instantáneamente’.

    Y el resto del viaje, lo hacen a ‘c’.

    Es decir, el fallo está en suponer que ha sido un movimiento a velocidad constante (Constant Velocity Assumption).

    No recuerdo el Blog, pero era un blog en Ingles.

    Pero ya te digo, no he leído que esas medidas ‘velocidad-distancia’, hayan sido en el mismo programa OPERA.

    Eso quita mucha validez a esta hipótesis.
    ………………………………………….

    Lo que comentas:

    “¿Qué error pueden haber cometido los físicos de OPERA? Mucha gente está apuntando a un error (bug) en el software. Quizás un error tipográfico en un programa de ordenador que sesga el resultado de las medidas (como poner 28 ns donde habría que poner 82 ns)”

    Se quita simplemente en la fase de integracion-validación de todo equipo (Instrumentación incluida) posterior a su desarrollo.

    Y el SW y HW de todo desarrollo, pasa esas fases Francisco.

    El Chequeo antes de instalación de todo desarrollo, detecta todos estos ‘fallos infantiles’.

    Deja ese tipo de hipótesis lamentables.

    Javier.

  2. Existe también un argumento sencillo que indica también que debe haber un error en OPERA: supongamos que los neutrinos pueden viajar más rápido que la luz, eso quiere decir que los neutrinos no “sienten” la barrera que supone c, por tanto, los neutrinos pueden viajar a cualquier velocidad por encima o por debajo de c, es decir, 0,8c,1,2c,8,22c,pi*c, 200c, 10exp12c (aunque los valores muy altos queden más limitados debido a la energía necesaria nada impide “a priori” que los neutrinos puedan ser acelerados a valores muy grandes por encima de c). De todos los infinitos valores que pueden tomar resulta que han “elegido” un valor muy muy singular: 2 cienmilésimas partes por encima de c. ¿Parece bastante chocante no? Parece un ajuste demasiado fino entorno a c y si tenemos en cuenta que las incertidumbres experimentales en algunas variables casi son del orden del valor medido por encima de c parece que todo encaja no? A ver si es que Sí sienten la barrera de c…

  3. Hay un artículo muy interesante de un alemán sobre por qué los chicos de OPERA no serían capaces de medir correctamente la velocidad de los neutrinos. Se trata de W. Heisenberg et al, 1927, “el principio de incertidumbre, cheat mode on”.

    :P

    • El posible error por incertidumbre parece ser demasiado pequeño para que afecte a las medidas de OPERA. Eso ya lo apunto hace dias Javier por aquí, o al menos eso creo recordar.

      • Lo apunte, y lo calculé delante de todos por si me he equivocado (Es posible, I am just a man ).

        https://francisthemulenews.wordpress.com/2011/11/27/las-dos-operas-neutrinicas-de-opera-siguiendo-a-matt-strassler/#comment-13713

        (Tuve el lapsus de cambiar 40 por 10, pero lo corregí).

        Particula de 10 Gev => …….Error en Tiempo de la medición…………………….>=……….3.3 * 10^(-26) segundos.
        ………………………………………Error del sistema de instrumentación de OPERA =……….. 10 * 10^(-09) segundos.

        Conclusión, error teórico, despreciable frente a error tecnológico.

        Esto lo han calculado ya los chicos de OPERA, seguro, años atrás, antes de escavar un solo metro bajo tierra.

        Serian tontos si no lo hubieran calculado, gastar un montón para un experimento sin conocer las cotas teóricas de error.

  4. Vaya con los fanáticos de la verdad… Y de donde sacas tú, Albert, que la naturaleza tenga realmente leyes. Quizás seamos nosotros que la vestimos con leyes para poder hablar de ella en público.

    • Estimada Belén, las leyes de la naturaleza descritas por la ciencia no son ni inmutables ni absolutas y se encuentran en permanente revisión. Aquellas que no verifican un 100% de la realidad son descartadas o son utilizadas en forma acotada según convenga. La única verdad sagrada en ciencia es que no existen verdades sagradas. Salu2.

  5. Mantengo más o menos las mismas dudas y no veo que ni Francis ni Cho las respondan:

    1. Cierto es que postOPERA-1 y preOPERA-2, hubo a petición de Autiero et al. un nuevo análisis de Physikalisch-Technische Bundesanstalt sobre el margen de error, o mejor dicho, sobre la exactitud de los relojes de los satélites GPS utilizados en ambos experimentos. Lo que no entiendo es cómo dicho diagnóstico resuelve la “inquietud” manifestada por Ronald A.J. van Elburg en su documento:

    Haz clic para acceder a 1110.2685v3.pdf

    No veo ni siquiera un comentario respecto a lo que el científico holandés ha dicho. ¿Por qué?

    2. En ese mismo tenor, no entiendo por qué en los documentos de ambos experimentos siguen manejando prácticamente el mismo margen de error de 10 ns cuando Autiero ha reconocido, y no en dichos escritos, que ese margen puede ser hasta de 50 ns, cuestión de la que estaba ya enterado antes de la publicación de los resultados del segundo experimento como documento de arXiv.

    3. ¿Es ‘normal’ que en un experimento en el que participan más de 160 científicos se deje a uno solo el cálculo de los márgenes de error y que ellos sean verificados por muy pocos -del mismo equipo- y eso a posteriori?

    En este punto y en el anterior no me molesto en citar fuentes toda vez que ambas circunstancias se han mencionado una y otra vez en medios diversos y hasta ahora ni Autiero ni sus co-firmantes los han desmentido.

    4. Alguien (HerrK) en otro lado decía:

    “Hasta no disponer de esa teoría cualquier neutrino superlumínico solo puede ser calificado –incluso suponiendo que se hubieran resuelto favorablemente todas las dudas sobre el procedimiento de medición– como una anomalía o una paradoja.”

    También luego de OPERA-1, los físicos teóricos del CERN, llevaron a cabo un taller en el que también participaron físicos experimentales, entre ellos participantes del experimento mencionado. A la conclusión que llegaron los primeros es que no hay un modelo teórico que pueda acomodar (sustentar -diría yo) la medición:

    “We have reviewed a large part of the articles published in arXiv after OPERA made its result public,” says Ignatios Antoniadis, Head of CERN’s theory group. “After several discussions and a rich exchange of views, the participants in the workshop concluded that – currently – there is no consistent theoretical model that can accommodate the measurement.”

    http://cdsweb.cern.ch/journal/CERNBulletin/2011/43/News%20Articles/1392338?ln=en

    5. ¿Ha resuelto Francis alguna de las interrogantes que se planteó cuando escribió el post sobre la tarea del revisor (de JHEP) de la publicación formal de los resultados de los experimentos de OPERA?

    https://francisthemulenews.wordpress.com/2011/11/26/atencion-pregunta-si-fueras-revisor-de-jhep-aceptarias-el-articulo-de-opera-sobre-los-neutrinos-superluminicos/

  6. De lo que si estoy covencido es que los neutrinos superluminicos si viajan a mayor velocidad que los fotones de la luz. Mas alla de si sincronizaron y calibracion permanete de los relojes para este fin.

  7. ¿De quién es la errata?

    He leído a Kelly Oakes de Scientific American; Phil Platt de Bad Astronomy; Ben de TK2 y varios otros decir que si las mediciones de Autiero et al. estuviesen bien, las de SN1987A debieron haber arrojado una diferencia de 4.14 años, mientras Francis habla de 4 días, no sé si citando a Cho.

    Por otro lado, no sé si igualmente citando Francis a Cho, dice:

    ” Robert Plunkett del experimento MINOS del Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory), en Batavia, cerca de Chicago, Illinois, que midió la velocidad de los neutrinos en 2007 y observó que eran superlumínicos, aunque con menor precisión que OPERA…”

    Mi problema con tal afirmación es que puede inducir fácilmente al error, incluso uno totalmente falaz, toda vez que, para empezar, MINOS siempre ha mantenido la postura de que sus mediciones no son confiables por ser su margen de error medio de 100ns cuando la presunta diferencia con c fue de 120ns, y así mismo, su confiabilidad fue de 1.8σ, muy lejos de 5σ, por lo que afirmar que “los neutrinos en 2007… eran superlumínicos”, es si no de plano una mentira, si algo que se le parece mucho. Cuando mucho, Plunkett pudo haber observado unas mediciones poco o muy poco confiables de una aparente velocidad superlumínica en los neutrinos, nunca neutrinos de velocidad superlumínica. Ahora bien, tampoco las mediciones de MINOS-2007 se dieron tan sólo con “menor precisión que OPERA”, sino que se dieron con muchísima menor precisión de la pretendida por OPERA, que es de un margen de error de 10ns y con una confiabilidad de 6σ. Es mucha la diferencia en ambos aspectos.

    En Ciencia el lenguaje importa, y mucho.

  8. ALERTA: RUMORES DE UN HIGGS A 125-126 GeV/c², visto al parecer por ATLAS y CMS. Evidencia inclusiva ( a lo más sólo de 3 sigma). Confianza: ATLAS y CMS ven el “bump” en el canal difotón. ALERTA, REPITO, ALERTA. jajajaja…Seminario del CERN: 13 Diciembre, 2011. Stay tuned.

  9. He estado investigando un poco por Internet sobre GPS.
    Efectivamente los relojes en los satélites se programan a una frecuencia que es algo menor que los relojes en tierra; y se reajustan los almanaques cada 12-20 minutos

    http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_posicionamiento_global#Funcionamiento

    Con la modificación de la frecuencia se consigue que los relojes en tierra y los relojes en órbita vayan todos al mismo ritmo. Sin embargo hay que aclarar las condiciones de lo que se entiende por “reloj en tierra”, como demuestra el experimento de Pound-Rebka. Una aproximación del GPS es que la superficie del geoide que modela la forma de la tierra es tal que los relojes situados en dicha superficie funcionan en sincronía según la relatividad general: incluyendo la rotación de la tierra. Sobre esta línea síncrona se utiliza la unidad de tiempo UTC, basada en relojes atómicos no en el sol como GMT, y que se supone compensa respecto de variaciones estacionales de la velocidad de giro de la tierra.

    http://en.wikipedia.org/wiki/Coordinated_Universal_Time

    “Because of time dilation, a standard clock not on the geoid, or in rapid motion, will not maintain synchronicity with UTC. Therefore, telemetry from clocks with a known relation to the geoid is used to provide UTC when required, on locations such as those of spacecraft.”

    UTC representa una red de relojes atómicos mantenidos por distintas instituciones en el mundo y coordinados de modo que funcionan sincronizados.
    De este manera tenemos que los relojes en el satélite y los relojes en tierra funcionan aparentemente al mismo ritmo. Pero esto dista mucho de un sistema inercial de coordenadas. Aparentemente se ha definido una unidad de tiempo local común para los observadores en tierra y para los satélites. Pero falta definir un espacio-simultáneo: una unidad de longitud común; y de esto es de lo que va precisamente el artículo de Ronald A.J. van Elburg.

  10. Esa monstruosa catedral gótica de la que hablas, la relatividad de Einstein, es parte de la ciencia que se ha utilizado en las medidas para realizar el experimento de OPERA. Así que si como dices fuera falsa, las conclusiones obtenidas por OPERA no tendrían ninguna validez. Por tanto, no puedes decir que es cierto que existen neutrinos superlumínicos porque así lo demuestra OPERA a la vez que afirmas que la relatividad general de Einstein es una farsa. Es una contradicción que hiede desde lejos.

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