Con los GPS en el frigorífico para medir la velocidad de los neutrinos en MINOS

Medir la velocidad de los neutrinos en una distancia de 735 km con un error de unos pocos nanosegundos no es tarea fácil. Buena prueba de ello es esta foto que muestra los dos GPS utilizados por MINOS (EE.UU.) dentro de un frigorífico (a 1 ºF ≈ −17 ºC) para arañar unos nanosegundos de precisión. En 2007, MINOS observó, tras un año de medidas, que los neutrinos llegaban antes de lo esperado, en concreto 126 ± 32 (stat.) ± 64 (syst.) ns, es decir, los neutrinos llegaron 126 nanosegundos antes que un fotón en el vacío con un error en la medida de unos 72 ns, lo que implicaba que parecían superlumínicos. Para reducir las fuentes de error a solo unos pocos nanosegundos hay que ajustar muchísimos detalles del experimento y me ha llamado la atención que entre ellos esté usar dos GPS en lugar de uno y además enfriarlos  en una nevera. Un frigorífico similar a los que mucha gente tiene en su cocina.

MINOS ha publicado sus dos nuevas medidas en el congreso Neutrino 2012, tras clasificar los neutrinos detectados en dos grupos diferentes; como resultado han observado un adelanto de 18 ± 11 (stat.) ± 29 (syst.) ns y de 11 ± 11 (stat.) ± 29 (syst.) ns, es decir,  con un error estadístico de 31 ns se observó que llegaron 18 ns y 11 ns antes de tiempo según el grupo de neutrinos; como el error casi duplica, en el primer caso, y casi triplica, en el segundo, el resultado obtenido, solo podemos afirmar que el resultado es compatible con cero, es decir, que los neutrinos (sublimínicos) se movieron (casi) a la velocidad de la luz, a diferencia del resultado de 2007. Este nuevo resultado es mucho más fiable y además es compatible con los obtenidos en Europa (por OPERA, ICARUS, LVD y Borexino). Más información en Phil Adamson (Fermi National Accelerator Laboratory), “Neutrino Velocity: Results and prospects of experiments at other beamlines,” Neutrino 2012, 8th June, 2012 [transparencias en pdf], y en P. Vahle, “New Results from MINOS,” Talk at Fermilab Theory Seminar, June 8, 2012 [transparencias en pdf].

MINOS utiliza dos detectores de neutrinos, el cercano (ND) situado a un 1 km de la fuente (NuMI) y el lejano (FD) situado a 735 km de ella; la distancia entre ambos detectores se ha medido con un error de 50 cm y el tiempo que un fotón en el vacío necesita para recorrer dicha distancia se ha medido con un error de 1,67 ns (=0,5/c). Las mejoras introducidas en el experimento para las medidas de 2012, respecto a las de 2007, son múltiples; por ejemplo, el error en la medida del tiempo que tarda la señal del GPS desde la antena receptora hasta el propio aparato (dentro del frigorífico) se ha reducido de 29 ns a solo 1 ns en el ND y de 46 ns a solo 2 ns en el FD, como muestra la figura de arriba.

Todo experimento debe ser duplicado para validar sus resultados. Una opción más práctica, cuando no se puede replicar a bajo coste, consiste en duplicar el análisis de los resultados, es decir, tomar los datos de dos maneras diferentes y que grupos independientes de físicos estudien dichos datos de forma separada. Confrontando los resultados entre sí se incrementa la confianza estadística en los mismos. Los neutrinos en NuMI (Fermilab) han sido emitidos en ráfagas (llamadas “spills”) con una duración de unos 10 microsegundos, divididas en 6 lotes (llamadas “batches”) de 1,6 microsegundos, separados entre sí unos 95 ns (ver la parte izquierda de la figura). En el detector lejano (FD) todos los neutrinos se han sido clasificados en dos grupos llamados “Full Spill” y “Wrapped Spill” que han sido analizados de forma separada. Los primeros utilizan la forma (escalonada) de la ráfaga completa. Los segundos combinan todos los lotes de cada ráfaga en una ráfaga “equivalente.” Al agrupar los datos de forma tan diferente, ambos conjuntos requieren un análisis específico para determinar los instantes de llegada.

Esta figura muestra el resultado obtenido por MINOS para cada uno de los dos análisis realizados (círculos rojos y cuadrados azules, junto a sus intervalos de error); TOF Offset significa “Time of Flight Offset” (diferencia entre el tiempo de vuelo del neutrino y el de un fotón en el vacío); un valor igual a cero significa que el neutrino se propagó a la velocidad de la luz, un valor negativo indica que los neutrinos llegaron antes de tiempo y uno positivo que llegaron después; como se ve en la figura, las medidas individuales son de diverso signo y magnitud (decenas de nanosegundos). La media global de todos los datos es negativa (los neutrinos van más rápido que la luz), aunque con un error enorme, debido a su gran dispersión estadística (tienes los valores en el segundo párrafo de esta entrada). Un versión mejorada del experimento, llamada MINOS+, obtendrá en los próximos años medidas mucha más fiables, con menor error en cada medida y con menor dispersión estadística en conjunto. Aunque todo el mundo puede imaginar cuál será el resultado, el experimento ya ha recibido financiación específica y en este blog nos haremos eco de la correspondiente medida.

Por cierto, ya se ha descubierto por qué el resultado de 2007 mostró un resultado superlumínico tan exagerado. Como parte del nuevo análisis de errores se han vuelto a estudiar todos las fuentes de error sistemático en la medida de 2007, descubriéndose varias fuentes de error que no se habían tenido en cuenta que computan del orden de 60 ns adicionales, con lo que el error que se creía (en 2007) que era de 72 ns resulta que en realidad es del orden de 132 ns, y por tanto la medida de 2007 es compatible con el hecho de que los neutrinos se propaguen (casi) a la velocidad de la luz. Por ejemplo, no se habían tenido en cuenta en los errores de los tiempos de llegada introducidos por la electrónica de los detectores cercanos (ND), la frecuencia del reloj de 53 MHz utilizado en el detector estaba desplazada unos 100 Hz, etc.; varias fuentes de error que habían sido despreciadas o no habían sido tenidos en cuenta en la antigua medida.

La ciencia progresa paso a paso, con pasos seguros; si un paso cae en el fango, hay que levantar el pie y volver a pisar buscando el firme.

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3 pensamientos en “Con los GPS en el frigorífico para medir la velocidad de los neutrinos en MINOS

  1. O sea que en estos experimentos de MINOS se ha podido comprobar y a establercer con precisiòn la velocidad de los neutrinos de aproximadamente la velocidad de la luz, pero noto que es un poco variable, unas veces se acerca y otras veces no la logra, pero es muy aproximada, estos muchachos estàn realizando algo grande con estos experimentos, me alegra saber que han podido lograr financiamientos, muy importante.

  2. Falta el Coeficiente de Variación (DT/ Mediax100) en estos datos. Para casos límites da información sobre la variabilidad del proceso estudiado.
    No se que pensar ante la ausencia del estadístico….???

  3. Junto a las mejoras en la precisión de los datos, que merece elogio, me parece evidente que más allá de los datos obtenidos sobre el terreno el formalismo matemático de la RE muestra ciertas lagunas. Una prueba de ello se ciñe al ámbito de la semántica, Francis escribe:

    “Un versión mejorada del experimento, llamada MINOS+, obtendrá en los próximos años medidas mucha más fiables, con menor error en cada medida y con menor dispersión estadística en conjunto. Aunque todo el mundo puede imaginar cuál será el resultado, el experimento ya ha recibido financiación específica y en este blog nos haremos eco de la correspondiente medida.”

    Si todo el mundo puede imaginar cuál será el resultado ¿para qué demonios se gastan el dinero y el trabajo para hacer nuevas medidas? Si todo el mundo se puede imaginar el resultado ¿no será mejor invertir dinero y esfuerzo en otros experimentos?

    Si el 99,999999% de c no es c sino casi c, hay algo que no me cuadra. Y lo que no me cuadra es que parece que el formalismo matemático de la RE ya no es axiomático sino dogmático. Con razón Glashow exclamó alarmado que de confirmarse la hiper luminosidad de los neutrinos de OPERA, abandonaba la física.

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