Qué puede haber pasado con el cable de fibra óptica en OPERA

No hay aún un comunicado oficial de carácter técnico sobre los problemas que han sido detectados en el experimento de OPERA para medir la velocidad de los neutrinos muónicos entre el CERN (CNGS) y Gran Sasso (LNGS). A partir del comunicado oficial y de lo que han dicho Antonio Ereditato (portavoz de OPERA) y Caren Hagner (coordinadora del grupo alemán de OPERA) lo único que se puede hacer es conjeturar lo que ha podido pasar. Por lo que parece al mover un cable de fibra óptica se introduce un retraso en el momento en el que se estampa el instante de tiempo en los eventos de los neutrinos, un retraso que podría llegar a ser tan alto como 100 ns. Eric Shumard nos ofrece una posible conjetura en un comentario en el blog de Matt Strassler, que aclara en un segundo comentario. Permíteme traducir de forma libre dichos comentarios, aunque quiero dejar muy claro que son conjeturas y que puede que no tengan nada que ver con la verdad. Hasta que no haya comunicación oficial (si la hay) todo lo escrito en esta entrada podría ser mentira.

Shumard cree que se utiliza un fotodiodo que detecta los pulsos que se reciben a través del cable de fibra óptica, cuando la señal del fotodiodo supera cierto umbral la electrónica activa la estampación del instante de tiempo asociado al evento. Si el cable no está perfectamente alineado con el fotodiodo, el ángulo del cable afectará al instante en el que se supera el umbral, introduciendo un retraso. Como la información sobre el instante de tiempo se codifica en 80 bits que han de ser transmitidos en una ventana de tiempo de 1 ms, Shumard cree que es razonable pensar que se utilizan pulsos con una pendiente (o un borde) bastante suave, lo que acentuaría el efecto y permitiría entender por qué desalinear el cable de fibra y el fotodiodo puede introducir un retraso tan alto como 100 ns.

Un convertidor optoelectrónico digital está diseñado para dar una salida en binario (dos tensiones que representan un cero o un uno) cuando la luz entrante es mayor que cierto umbral. Según Shumard, el instante en el que se recibe la señal del GPS se determina integrando la señal  óptica que pasa de un valor cero a un valor uno, es decir, en el borde de subida de un pulso óptico. La primera sección del convertidor optoelectrónico estará formada por un fotodiodo más un amplificador. Supongamos que el umbral de aceptación de esta primera sección es de 1000 fotones/ns. Si la señal óptica entrante se inicia en el instante t=0 con 0 fotones/ns y luego aumenta linealmente hasta 100000 fotones/ns en un intervalo de tiempo de 100 ns (la pendiente es de 1000 fotones/ns por ns), el convertidor detectará la señal supera el umbral a partir de T=1 ns. Si la señal óptica es atenuada en un factor de 10, entonces la pendiente de la señal óptica entrante será de solo 100 fotones/ns por ns y el convertidor detectará que la señal ha pasado el umbral después de T=10 ns.

Esta explicación parece razonable, pero, repito, es una conjetura concebida por alguien que está fuera de la colaboración OPERA y puede ser completamente errónea, aunque a mí me parezca razonable. Hasta que no haya un comunicado oficial de carácter técnico no podemos decir más al respecto.

La gran cuestión que cualquiera se plantea al leer una explicación de este tipo es la siguiente (Matt Strassler también se la plantea en esta entrada). Se tomaron medidas de los neutrinos en 2009, 2010 y 2011, ¿ha estado el cable en la misma posición durante 3 años? ¿Por qué las medidas de los 3 años son, más o menos, consistentes entre sí en cuanto al retraso de unos 60 ns en la llegada de los neutrinos? ¿No se puede reconstruir el efecto del cable a partir de los datos ya obtenidos? Esta figura está extraída del artículo en ArXiv de OPERA (he añadido la línea roja donde se esperaba que llegaran los neutrinos); como cualquier resumen estadístico de una serie de datos muestra una verdad sesgada, pero oculta muchas otras. Mirando el año 2009 en esta figura da la sensación de que la calibración del sistema de tiempos que hizo a principios de 2010 era muy necesaria. Los datos de 2010 parecen sesgados hacia abajo, o los de 2011 sesgados hacia arriba. En cualquier caso, como bien dice Strassler, se diría que o bien el cable no se movió mucho durante la ejecución del experimento, o bien no es la causa principal del resultado obtenido por OPERA. Solo lo sabremos en mayo; como muy bien ilustra la figura de abajo diseñada por M. Strassler, ahora mismo el resultado del experimento OPERA es solo un interrogante. En mayo o junio, cuando se publiquen las nuevas medidas, quizás salgamos de dudas.

Qué relación hay entre OPERA y el CERN

La mayoría ya sabéis que he escrito una entrada para Amazings.es sobre el experimento OPERA de los neutrinos superlumínicos, “¿Qué ha pasado con el experimento OPERA?,” 24 feb. 2012. El complemento ideal a dicha entrada es la “Entrevista a Caren Hagner: El error de OPERA en los neutrinos superlumínicos,” 27 feb. 2012, traducida del inglés por Kanijo. Estas entradas tratan de poner los pies sobre la tierra para evitar lo que pasa a veces con los medios, que desvirtúan las noticias a extremos inimaginables para una mente cuerda; el mejor ejemplo es “Antena 3 y su universo alternativo en ciencia,” 27 feb. 2012, que nos destacó Irreductible en Amazings.es; ¿rectificar Antena 3, para qué? Incluso en su web siguen en sus trece: Sobre el CERN afirma que “ha reconocido que todo fue un error debido a una mala conexión de un cable de fibra óptica que ha hecho inutiles todos sus experimentos. Al final 27 kilómetros de túneles, una construcción de 1.700 millones de Euros y 1.500 millones anuales de presuesto para 2.000 cientificos de 34 paises no han podido superar Albert Einstein.” He escrito un comentario en Amazings con una transcripción de la noticia de Antena 3 y la explicación de sus múltiples errores [copia al final de este post].

Una cuestión que se pregunta mucha gente es qué relación hay entre OPERA y el CERN. Permíteme un comentario al respecto, similar a uno ya realizado por Matt Strassler en su blog. En física de partículas es bastante habitual que un laboratorio produzca un haz de partículas y que otro grupo de personas, que no tengan nada que ver con los primeros, construyan un detector para dichas partículas; además, hay incluso grupos de personas que desarrollan un experimento que utiliza el haz de partículas de unos y los detectores de otros pero que tampoco son las personas responsables de ambas instalaciones. El CERN tiene un experimento llamado CNGS que produce haces de neutrinos dirigidos hacia Gran Sasso, cerca de Roma (CNGS significa CERN to Gran Gasso). Obviamente, el CERN tiene que aprobar cualquier uso de CNGS, como el que hace OPERA. En OPERA trabajan unos 160 investigadores de 30 instituciones de 11 países; los países con mayor contribución a su financiación son Italia y Japón. Como OPERA necesita usar el haz de neutrinos producido por el CERN, algunas de estas personas pertenecen al CERN, en concreto a CNGS; pero el diseño del experimento para medir la velocidad de los neutrinos y su ejecución es responsabilidad de OPERA y de las 30 universidades y/o laboratorios que intervienen. Ningún miembro del CERN es responsable de OPERA, ni controla lo que se hace en OPERA. La responsabilidad del CERN (en concreto de CNGS) es proveer un haz de neutrinos muónicos de calidad y hasta donde sabemos el CERN a cumplido al 100% con su cometido. Si ha habido cualquier problema en la instalación de OPERA a 730 km de distancia del CERN, podemos excluir toda la responsabilidad del CERN sobre dicho problema. Otra cuestión sería que hubiera habido problemas con el haz de neutrinos generado por CNGS, en cuyo caso la responsabilidad tendría que ser asumida por el CERN.

Por qué el anuncio oficial sobre el problema de OPERA aparece en la página de noticias del CERN. El CERN es responsable de la colaboración CNGS que envía neutrinos muónicos desde el CERN hacia LNGS (Gran Sasso National Laboratory). OPERA utiliza CNGS y LNGS. Todos los experimentos que utilizan CNGS pueden usar los servicios de prensa del CERN para realizar comunicados (la gran ventaja es que los servidores de noticias del CERN son muchos más visitados que los suyos). Creo que hay que recordar que el CERN hay muchas más cosas que el LHC (que es el proyecto estrella, claro está) y sus colaboraciones (ATLAS, CMS, ALICE, LHCb, TOTEM y LHCf). Algunos experimentos del CERN que no tienen nada que ver con el LHC son ALPHA, ASACUSA, ATRAP, AEgIS, CLOUD, ACE, ISOLDE, nTOF, CAST, OSQAR, etc. Incluso AMS-2 (que está en la estación espacial internacional ISS) también es (en parte) un experimento del CERN. Todas estas colaboraciones pueden usar los servicios de prensa del CERN para dar mayor visibilidad a sus resultados.

Otra cuestión que se pregunta mucha gente es qué papel juego el LHC del CERN en el experimento OPERA. Incluso hay gente que cree que los neutrinos se lanzaron desde el LHC del CERN. No es cierto, los protones que produjeron los neutrinos se lanzaron desde SPS hacia un blanco de grafito alineado con Gran Sasso. Los protones que se inyectan en el LHC son previamente acelerados en varias etapas, la etapa final utiliza un acelerador anterior llamado SPS (Super Proton Synchrotron). SPS es un túnel de 6,9 km de perímetro en el que los protones se aceleran hasta una energía de 450 GeV; este acelerador es famoso porque en él se descubrieron los bosones W y Z en 1984. Tras la inyección de protones en el LHC (cuyo túnel es de 27 km), SPS puede seguir funcionando produciendo protones para otros experimentos (hay muchísimos experimentos en el CERN que lo utilizan, además del LHC). OPERA es uno de ellos.

Finalmente, aunque ya todo el mundo la ha visto, no me resisto a incluir el vídeo de la noticia de Antena 3 junto con el desglose de los errores (todo esto ya está publicado en Amazings, por supuesto, pero lo incluyo aquí por si aún hay algún despistado que no se ha enterado).

Gracias a la transcripción de la noticia realizada por Arturo, paso a detallar los errores de la noticia.

Imágenes del túnel del LHC ilustran a la voz en off que dice “Un cable suelto da al traste con el experimento que cuestionaba la teoría de la relatividad de Einstein. El descubrimiento de los científicos que avanzaron que los neutrinos eran más rápidos que la luz pudo ser consecuencia de una chapuza.”

La colaboración OPERA no tiene nada que ver con el LHC y con su túnel. No utiliza el LHC para nada. Mezclar imágenes del LHC mientras se habla de OPERA es un grave error.

Con la fórmula E=mc^2, la periodista dice “Lo bautizaron como “la partícula de Dios” …

“Lo bautizaron” alude a que los científicos bautizaron así el bosón de Higgs. Os recuerdo que “partícula de Dios” fue el título de un libro de Lederman (Premio Nobel y director del SSC) en el que trataba de convencer a los congresistas de EEUU de que financiaran el SSC para buscar el Higgs; entonces el presidente era George Bush (padre) y ya se sabe que a los republicanos se les llena la boca con la palabra “Dios”. El Congreso de EE.UU. canceló el SSC en 1993.

…y afirmaron que podía viajar más rápido que la luz.

Nunca se ha dicho que el bosón de Higgs pueda viajar más rápido que la luz. El experimento OPERA afirmó que los neutrinos (muónicos) viajaban más rápido que la luz. No dijo nada respecto al Higgs.

El anuncio cuestionó hasta la teoría de la relatividad de Einstein, y abrió las puertas a una nueva interpretación del universo.

El anuncio cuestionó a Einstein no porque un taquión (partícula que viaja más rápido que la luz) viole la relatividad, sino porque las propiedades observadas para los neutrinos no tenían ningún sentido. Los neutrinos muónicos observados por OPERA no se comportan como predice la relatividad (por ejemplo, su masa (imaginaria) tendría que ser millones de veces mayor que la medida en experimentos cosmológicos).

Con la fórmula E=mc² como fondo, el periodista (director de informativos de Antena 3, por cierto) dice “Los científicos han pasado de la euforia a una sonora decepción. Han reconocido que todo fue un error de cálculo. La culpa fue de un cable suelto.

¿Euforia? Nunca ha habido euforia por el resultado de OPERA, más bien todo lo contrario. ¿Error de cálculo? No lo han reconocido. El conector de fibra óptica es una posible fuente de error que no había sido considerada. Todavía no se sabe si es “la fuente” del problema (no se sabrá hasta que se repitan las medidas en mayo).

Imágenes de archivo de Albert Einstein y voz en off con “Lo dijo Albert Einstein hace 107 años, nada puede viajar más rápido que la luz, ya que hacerlo significaría ir hacia el pasado, y así lo dejó plasmado en su teoría de la relatividad.

No es cierto que Einstein o la relatividad afirmen eso. Esta teoría clásica permite la existencia de taquiones (partículas que viajan más rápido que la luz), aunque violan ciertos fenómenos cuánticos que hacen inconcebible su existencia. En cuanto a los viajes al pasado, también es falso, ya que se pueden enviar señales hacia el pasado con ciertas restricciones, pero “viajar al pasado” suele entenderse como que un objeto sublumínico viaje al pasado y eso no es posible, ni siquiera si los neutrinos fueran superlumínicos.

Imagen del portavoz de OPERA, el físico Antonio Ereditato, hablando “Si encontramos que estas partículas naturales llamadas neutrinos pueden viajar más rápido que la luz, será algo que impactará a todo el mundo.

Esto es correcto.

Imagen del túnel del LHC y una voz en off dice “El experimento consistió en lanzar 15.000 rayos de neutrinos desde su laboratorio en Suiza hasta otro situado en Roma.

Explicar el experimento otra vez me da pereza. No se lanzaron 15000 rayos de neutrinos. Se lanzaron “infinidad” (el número exacto no lo recuerdo y no importa) de neutrinos desde el CERN hacia Gran Sasso; solo unos poquitos llegaron allí, la mayoría se dispersó y poquísimos fueron detectados (solo unas decenas de miles); de esos solo unos pocos se consideraron eventos válidos (que cumplan ciertas restricciones técnicas relacionadas con la medida de tiempos); estos últimos son los 15000 neutrinos detectados.

Imágenes del LHC el primer día que hubo colisiones y la voz en off dice “Los neutrinos aventajaban en 60 nanosegundos a las partículas de luz.

Mucha gente creerá que también se enviaron partículas de luz (fotones). Habría que decir que llegaron 60 ns antes de lo esperado si se movieran a la velocidad de la luz (como su masa es muy pequeño esta velocidad es una aproximación muy buena a su velocidad ligerísimamente más pequeña).

Científicos vitorean y se alegran de que las primeras colisiones en el LHC hayan sido todo un éxito (posiblemente en diciembre de 2009) y la voz en off “El anuncio desató la euforia de los científicos. Los resultados abrieron las puertas de nuevos sueños, …

Esto es completamente falso. No hubo euforia y no se abrió ninguna puerta.

Imágenes artísticas de un campo de Higgs alrededor de partículas con masa y la voz en off dice “…empezó a hablarse de la respuesta a los enigmas del universo.

¿Qué tienen que ver los neutrinos superlumínicos con los enigmas del universo y con el campo de Higgs? Supongo que por enigmas del universo la mayoría de la gente entiende enigmas cosmológicos y que mucha gente creerá ver en el campo de Higgs de las imágenes alguna configuración astrofísica o cosmológica.

Imágenes de Rolf Heuer (director general del CERN) que nos dice “En 2012 podremos responder a la definitiva pregunta de Shakespeare sobre ser o no ser.

Heuer está hablando del bosón de Higgs, si existirá o si no existirá, por eso alude al ser o no ser. Esto, sacado de contexto, puede significar cualquier cosa y en una noticia sobre neutrinos no tiene ningún sentido.

Imagen del comunicado de prensa del CERN en el que la colaboración OPERA explica los dos problemas que ha detectado y la voz en off dice “Pues va a ser que no. En este comunicado el Centro de Investigación Nuclear CERN de Ginebra ha reconocido hoy que todo fue un error…

El comunicado es de OPERA no del CERN, pero bueno. Dicho comunicado no reconoce que “todo fue un error” sino que se han detectado dos fuentes de error no consideradas con anterioridad (se explica en otras entradas de Amazings, la mía y la de Kanijo, así que no entraré en más detalles).

Imágenes del túnel del LHC y la voz en off dice “…debido a una mala conexión de un cable de fibra óptica que ha hecho inútiles todos sus experimentos. Al final, los 27 kilómetros de túneles, una compleja construcción de 1.700 millones de euros y 1.500 millones anuales de presupuesto para 2.000 científicos de 34 países no han podido superar esto… El cerebro de un genio, Albert Einstein.

Una barbaridad como la copa de un pino. ¿Qué tendrá que ver el LHC con OPERA? ¿Qué tendrá que ver el coste del LHC con el coste de OPERA? OPERA es financiada por el gobierno italiano y el japonés, con contribuciones sustanciales de Bélgica, Francia, Alemania y Suiza. En esta colaboración trabajan unos 160 investigadores de 30 instituciones de 11 países.

Imágenes de un cerebro con la voz en off dice “…el cerebro de un genio, Albert Einstein.

Y en cuanto al cerebro que aparece al final, un toque gore en la noticia, no es el de Einstein. Hay varios documentales sobre el cerebro de Einstein que muestra que no está tan bien conservado como el del vídeo. [De hecho está troceado como se comenta en Antonio, “Exhiben las muestras del cerebro de Einstein por primera vez,” Amazings.es, 23 Nov. 2011].

Y listo. Espero haber aclarado los errores de la noticia.