OPERA obtiene el límite más preciso a la velocidad de los neutrinos y antineutrinos muónicos

Dibujo20121208 Neutrino time distribution of events selected by four Methods

El experimento de neutrinos OPERA en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso (LNGS), Italia, es famoso por su metedura de pata del año pasado (mi artículo en JoF). Sin embargo, su sistema de medida del tiempo de vuelo de los neutrinos y antineutrinos es el más preciso del mundo. En junio se publicaron sus resultados preliminares (en mi blog aquí y aquí), ahora se publican de forma oficial. Los neutrinos muónicos generados en CNGS llegan a OPERA en LNGS con un retraso respecto a la velocidad de la luz en el vacío de δt ≡ TOFc−TOFν = (0,6 ± 0,4 (stat.) ± 3,0 (syst.)) ns (nanosegundos) y los antineutrinos con δt ≡ TOFc−TOFν = (1,8 ± 1,4 (stat.) ± 3,2 (syst.)) ns, resultados que indican que la velocidad v de los neutrinos muónicos cumple −1,8 × 10−6 < (v−c)/c < 2,3 × 10−6, al 90% C.L., y para los antineutrinos muónicos −1,6 × 10−6 < (v−c)/c < 3,0 × 10−6, también al 90% C.L.; estos son los mejores límites experimentales publicados hasta el momento para neutrinos y antineutrinos muónicos. El lector debe recordar que la medida basada en la supernova SN 1987A fue para la velocidad de antineutrinos electrónicos, |v−c|/c < 2 × 10−9. La medida de OPERA es compatible con las medidas obtenidas por los otros tres experimentos de LNGS que han utilizado el mismo sistema de medida de tiempos (salvo dentro de LNGS), ICARUS, Borexino y LVD. El nuevo artículo técnico es The OPERA Collaboration, “Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam using the 2012 dedicated data,” arXiv:1212.1276, 6 Dec 2012.

Os recuerdo a los despistados como funciona el experimento CNGS-LNGS. Los protones que se inyectan en el túnel del LHC (CERN, Ginebra) han sido acelerados hasta 450 GeV en el acelerador SPS. Mientras el LHC está en modo colisiones, se puede utilizar SPS para producir un chorro de protones a 450 GeV que se dirige hacia un blanco de grafito (carbono) donde se producen mesones (piones y kaones) de alta energía que se dirigen a un túnel de vacío de 1 km de longitud que apunta en la dirección de LNGS (Gran Sasso, Italia). Más del 99,9% de estos mesones se desintegran en neutrinos muónicos de alta energía, muchos de los cuales se dirigen a través del interior de la Tierra hasta los cuatro detectores de neutrinos de LNGS (OPERA, ICARUS, Borexino y LVD). Gracias a dos relojes atómicos sincronizados, uno en el CERN y otro en LNGS, se mide el tiempo de vuelo de los neutrinos muónicos que parten de CNGS y llegan a LNGS. La distancia entre el punto de origen y el de destino, unos 730 km, se mide mediante un sistema de GPS comercial con un error de decenas de metros. El sistema de medida de tiempos de vuelo tiene una precisión global de unas décimas de nanosegundo. Los neutrinos muónicos se mueven casi a la velocidad de la luz, debido a su masa tan ridícula, y para medir su velocidad se requiere un sistema de medida de tiempos con una precisión de femtosegundos, por lo que CNGS-LNGS solo puede obtener una cota grosera a la velocidad de los neutrinos. Aún así, medir dicha cota es todo un reto científico.

Dibujo20121208 intensity 2012 proton beam vs time SPS extraction

Entre el 10 y el 24 de mayo de 2012, CNGS envío chorros cortos de neutrinos muónicos en dirección a LNGS. Como muestra esta figura, los protones de SPS se enviaron al blanco de grafito en ciclos de 4 ráfagas separadas 300 ns, cada una de 16 paquetes de protones separados 100 ns; cada paquete contenía 0,1 billones de protones. La sensibilidad de los cuatro experimentos de LNGS solo les permite observar un solo neutrino (o lo más normal, ninguno) en cada paquete de 0,1 billones de protones (recuerda, aunque dicho paquete haya producido unos 0,1 billones de neutrinos). El total de protones enviado durante las dos semanas del experimento fue de unos 180 mil billones de protones. OPERA solo pudo registrar 104 neutrinos (67 en los detectores TT y 62 en los detectores RPC; no explicaré la diferencia). Para asegurar un análisis adecuado de la medida, se han utilizado dos métodos de análisis por cada tipo de detector; los métodos 1 y 2 para los neutrinos detectados en TT (los errores sistemáticos en ambos métodos están correlacionados), y los métodos 3 y 4 para los detectados en RPC (por el contrario, los sistemáticos en ambos métodos no están correlacionados). La figura que abre esta entrada muestra los resultados para los cuatro métodos (no explicaré en detalle estos métodos).

Dibujo20121208 earth and moon from mars express

Para mejorar la medida de la velocidad de los neutrinos obtenida por los experimentos de LNGS la opción más obvia es incrementar la distancia (entre CNGS y LNGS hay unos 730 km). El experimento LAGUNA, aún en construcción, enviará neutrinos desde el CERN hasta Pyhäsalmi (Finlandia), a unos 2.300 km. Lo más lejos que podemos llegar desde el CERN es a Nueva Zelanda, la antípoda de Ginebra, situada a unos 12.700 km, el problema es que determinar la distancia entre ambos puntos con una precisión de metros es muy difícil (aunque quizás la red de GPS del proyecto europeo Galileo pueda lograrlo). Ya que estamos elucubrando ideas, también se podría instalar un detector de neutrinos en la Luna y aprovechar los 384.000 km que nos separan de ella (la imagen muestra la Tierra y la Luna vistas desde la Mars Express en Marte). Obviamente, el alto costo económico hace inviable esta última opción.

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12 pensamientos en “OPERA obtiene el límite más preciso a la velocidad de los neutrinos y antineutrinos muónicos

  1. Francis, pese a que las medidas anteriores de OPERA han sido un fiasco, ¿por qué los cuatro cuadros incluidos en la primera figura de tu entrada registran que algunos neutrinos son más veloces que la luz? En mi opinión, este desfase en la velocidad de los neutrinos, que infringe a la TRE, cabe explicarlo por la topología del espacio por el que viajan.

    • porque son medidas experimentales, llevadas a su límite de resolución. No son neutrinos que hayan viajado más rápido sino lecturas que se han desfasado 20ns. Francis se ha tomado la molestia de escribirlo bien clarito: “para medir su velocidad se requiere un sistema de medida de tiempos con una precisión de femtosegundos”. Como explicas pues que el error de las medidas sea de unos 10 ns ?

      Intentaré hacerte entender un cosa muy básica de la Teoria de la Relatividad:
      El problema de los neutrinos es que tienen muy poca masa. Si te acoges a la mecánica clásica, la de Newton, te diría que la velocidad sería cuadráticamente proporcional al trabajo realizado: lo que quiere decir que puedes acelerarlos a una velocidad arbitraria pero, oh! que sorpresa! ésta velocidad siempre es “c”.

      Ya lo he comentado muchas veces: el hecho de que los neutrinos vayan a 0.9999998c (o “1.000001” si lo prefieres) con una energía determinada y 0.99999999999998 multiplicando con creces ésta energía y que, por mucho que los aceleremos nunca lleguemos a dejar atrás c, no refuta la TRE sino todo lo contrario: es una prueba (y perdona que sea tan explícito) IRREFUTABLE, de que la TRE es suficiente para entender la “dinámica” de los neutrinos.

    • Artemio, no busques los cinco pies al gato, es una cuestión estadística. El error en la medida es comparable a la medida, luego hay fluctuaciones en ambos sentidos (tiene que haberlas, si no sospecharíamos que no han hecho bien el análisis estadístico). Nada más.

  2. Francis, gracias por la respuesta.

    espaidual, ni pongo en duda la consistencia de la TRE ni me aferro a que los neutrinos de OPERA sean hiperlumínicos. Lo que pretendo decir es que no es necesario que los neutrinos sean hiperlumínicos para que, en el caso de OPERA, sean más veloces que el fotón. Basta con que el espacio se curve o se acorte para que esos neutrinos lleguen al Gran Saso antes que el fotón aunque su velocidad sea inferior a la del fotón. Entonces:

    1) Como apunta Francis el error en la medida es comparable a la medida, luego hay fluctuaciones en ambos sentidos (tiene que haberlas, si no sospecharíamos que no han hecho bien el análisis estadístico).

    2) Que el error en la medida no es atribuible a la estadística sino a la geometría del espacio, de manera que aquellos pocos neutrinos que aparentan ser más veloces que la luz admiten una explicación topológica que poco o nada tiene que ver con su velocidad.

    • no me mal interpretes,
      no creo que sea una sugerencia descabellada y por ésto te la discuto. Pero tienes que aceptar que todo lo que se ve apunta en contra.

      Dado el caso de que los neutrinos encontraran un “atajo” éstos resultados tampoco darían ninguna información al respeto, pues requerirían mucha más precisión. Los datos que se presentan no lo descartan, pero no aportan ninguna sugerencia en éste sentido si aceptamos que la dispersión de los datos se corresponde a la medida.

      Pero vamos a suponer que lo sugirieran. A que lo achacaríamos?
      Si te refieres al efecto gravitatorio de la Tierra, no sería más que un problema de sincronización y nos llevaría a un error sistemático.

      Pero vayamos más allá: Pongamos por caso de que existen fluctuaciones locales en el espacio-tiempo y que son consecuencia de la densidad de materia, ésto explicaría porque no los apreciamos su efecto de scattering en observaciones astronómicas, y suponemos que en las nubes de gas interestelar estamos cometiendo un error achacandolo a la interación luz-materia. Suponiendo lo que viene a ser un: “ésta ley solo existe allí donde no puedes mirar” (lo que no acostumbra a ser una buena hipótesis) no podría negartelo de no ser porque ….. Opera no es el primer experimento que existe ni el más preciso. Como explicarías entonces, por ejemplo, que en el interior del LHC, un anillo de 26 km de longitud (mucho menor, pero no está mal) no se aprecie ningún fallo de calibración por la misma causa?

      Ya sé, en el interior del LHC los haces circulan por el vacío y éstos efectos gravitatorios tan solo aparecen en la escala de interacción con la materia.
      Pero los neutrinos no son lo único que viajan “a través” de los medios y no hace falta irse a proyectos tan multimillonarios para buscar éstos efectos. De hecho con unos pocos cientos de euros puedes demostrar que tal hipótesis es falsa. ¿Como funcionaría entonces un laser con tanta fidelidad? ¿No deberíamos verlo en experimentos de interferometría, los mismos que, hace 100 años, nos llevaron a descartar la existencia del éter? ¿ y medidas tan precisas como la espectroscopia Mossbauer, como explicas que funcionen tan bien?

      Está muy bien que cuestiones la física establecida: a eso nos dedicamos los físicos, al fin y al cabo. Pero no debéis olvidar que la física moderna no nació con los grandes aceleradores.

      Los neutrinos son algo muy especial, porque solo interaccionan débilmente. Estoy convencido de que aprenderemos a usarlos como hoy usamos la luz para descubrir nueva física que hasta hora ha quedado tapada por el efecto de las demás interacciones. Pero no creo que ponga en entredicho la funcionalidad de la “vieja” física.

  3. Los atajos que atraviesan el espacio entre dos puntos dados creo que fueron estudiados por Minkowski, planteó una alternativa a la recta euclídea. Las fluctuaciones de espacio tiempo que son consecuencia de la densidad de la materia a las que te refieres vendrían a ser esos atajos. Un hipotético vehículo viajando a menor velocidad que c tardaría menos tiempo en ir de la Tierra a Júpiter que otro que viajase a velocidad c, sólo que el primero acortaría por esa trocha que le permite ganar tiempo. Los atajos los imagino como cilindros o tubos que recorren el universo y sus objetos: soles, planetas, lunas, etc. Hay algo intrigante es este asunto, el recuento de los neutrinos detectados es pequeño, me refiero no sólo a los neutrinos solares y cósmicos, también a los geo-neutrinos. No tengo la menor idea de por qué se produce este recuento raquítico, pero igual estas partículas se desplazan por líneas de espacio inusuales que las hacen esquivas a los detectores. Respecto de los láseres, estos artilugios emiten fotones, que yo sepa no emiten neutrinos. En fin, ésta es una cuestión interesante que hay que investigar.

    • Artemio, lo que encuentras intrigante en el recuento de neutrinos, en el sentido de que es muy pequeño comparado con el enorme número de los que se tratan de detectar, se debe a que se trata de partículas extremadamente elusivas, debido a que, al ser neutros, no interaccionan con el campo electromagnético (no se afectan por las cargas eléctricas). De hecho, se estima que unos 65 mil millones de neutrinos nos llegan del sol cada segundo por centímetro cuadrado, y los detectores de neutrinos no se dan prácticamente por enterados. No es necesario, así pues, pensar en raros caminos fuera de nuestro espacio ordinario para explicar lo que calificas de raquítico recuento. Más bien hay que maravillarse de que los físicos hayan sido capaces de captar alguna que otra de semejantes criaturas.

  4. hicsuntdraconis, estamos hablando de dos supuestos diferentes. Por un lado debatimos la hipotética hiperluminosidad de los neutrinos de OPERA y por otro lado está la cuestión de la detección de los neutrinos solares, cósmicos y geo-neutrinos. En el primer supuesto conjeturo la existencia de atajos que acortan la distancia a recorrer por el neutrino y que hace que los detectores ubicados en el Gran Sasso registren que su vuelo se efectúa con mayor velocidad que la luz, aunque no tiene por qué ser así.

    El segundo supuesto, el que tiene que ver con la masa y la carga de los neutrinos, no es tan simple como lo planteas, al menos en mi opinión. La explicación canónica es, en efecto, que al carecer de carga eléctrica son indetectables, esto quiere decir que la única manera de detectarlos es por el impacto de su masa en los detectores. El fotón tampoco tiene carga, pero es obvio que una fracción de los fotones que chocan con los paneles fotovoltaicos está cargada.

    Dices:

    “No es necesario, así pues, pensar en raros caminos fuera de nuestro espacio ordinario para explicar lo que calificas de raquítico recuento. Más bien hay que maravillarse de que los físicos hayan sido capaces de captar alguna que otra de semejantes criaturas”.

    Discrepo, claro qué es intrigante. ¿Cómo es posible que 65 mil millones de neutrinos nos lleguen del sol cada segundo por centímetro cuadrado y no sean detectados? El problema no está sólo en que no estén cargados, sino averiguar por qué no están cargados. En mi opinión, los neutrinos solares se desplazan por líneas de espacio que parecen blindadas a cubrirse con cargas eléctricas, sin embargo una fracción muy pequeña se detecta, bien por el impacto de sus masas o bien por un mecanismo similar al del fotón cargado (otra parte de la masa fotónica es neutra). Una vía de ataque experimental para despejar esta cuestión consiste en averiguar si los neutrinos detectados se cargan a lo largo de su viaje, esto requiere investigar la interacción fotón-neutrino. Éste es un asunto tan complejo como interesante.

  5. Una duda un poco tonta. ¿Se hace doble detección de los neutrinos, en el blanco de grafito y en destino o se asume que los neutrinos detectados en destino son los generados por la colisión sobre el blanco de grafito?

    • No, Paul, no es posible detectar los neutrinos en el CNGS, solo se detectan en LNGS. Se conoce la distribución energética y temporal de los protones en CNGS, y la distribución energética y temporal de los neutrinos en LNGS. OPERA ha demostrado que ambas distribuciones se parecen mucho (comparten ciertas “features” y el espectro de energía, lo que permite asegurar su procedencia).

      • Gracias, suponía que era así. Si ya es extremedamente complicado detectar neutrinos, detectar dos veces neutrinos debe ser casi imposible (y como bien dices, conociendo las distribuciones energéticas y temporal, se obtiene el resultado)
        Como siempre, un placer leerte.

  6. No se, a veces me recuerda (que viejo soy) ciertos conflictos con las primeras medidas de los satélites sobre la capa de ozono. Fueron rechazados durante años los datos por ser “outliers” (datos anómalos). Bueno, no me decanto por nada como buen escéptico.
    Lo del cable sigue sin convencerme mucho. Es como una explicación un tanto forzada (no creo que eso ocurra ni en el instituto).
    Y los intervalos de confianza no significa que el parámetro esté en el centro….igual dentro de 300 años midiendo puede ser pero ahora como que no.

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