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.
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La medida de la velocidad de los neutrinos muónicos en el experimento LVD de Gran Sasso

Entre el 10 y el 24 de mayo de 2012, el CERN (CNGS) envío pulsos cortos de neutrinos muónicos con una energía promedio <E> = 17 GeV en dirección al Laboratorio Nacional de Gran Sasso (LNGS) donde OPERA, ICARUS, LVD y Borexino midieron su velocidad. El resultado provisional de Large Volume Detector (LVD) ya había sido publicado en un artículo conjunto con OPERA, pero el artículo técnico acaba de aparecer en ArXiv. Se han detectado 190 eventos de neutrinos, pero solo 48 superan los tests de calidad en la medida de tiempos. La diferencia entre el momento de su llegada y el momento esperado para una señal lumínica ha sido de δt = 0,9 ± 0,6 (stat) ± 3,2 (sys) ns (nanosegundos), un resultado compatible con lo esperado. El resultado para la velocidad de los neutrinos es −3,8×10−6 < (v−c)/c < 3,1×10−6 al 99% C.L., un resultado que implica que la masa de los neutrinos muónicos es menor de mνµ < 47 MeV/c² al 99% C.L. Este resultado mejor obtenido hasta el momento en un medida directa de la velocidad de estos neutrinos, obviamente más impreciso que la medida realizada con supernovas y muy alejado de las predicciones teóricas basadas en que mνµ < 0,000 000 29 MeV/c² (según medidas cosmológicas). Aún así, me parece un resultado importante que hay que destacar en este blog. Por cierto, el artículo técnico agradece la labor de Hector Esteban del Real Instituto y Observatorio de la Armada (ROA), San Fernando, España. Los interesados en los detalles técnicos pueden consultar el artículo técnico The LVD Collaboration, “Measurement of the velocity of neutrinos from the CNGS beam with the Large Volume Detector,” arXiv:1208.1392, Subm. 7 Aug 2012.

La medida de la velocidad de los neutrinos muónicos en el experimento Borexino de Gran Sasso

En mayo de 2012, el CERN (CNGS) envío pulsos cortos de neutrinos muónicos en dirección hacia el Laboratorio Nacional de Gran Sasso (LNGS) donde OPERA, ICARUS, LVD y Borexino midieron su velocidad utilizando el sistema basado en GPS desarrollado por OPERA. El resultado de Borexino ya había sido publicado, pero el artículo técnico acaba de aparecer en ArXiv. Observaron 62 eventos de neutrinos mu con una energía promedio de <E>=17 GeV que llegaron con un adelanto (respecto a una señal a la velocidad de la luz) de δt = 0,8 ± 0,7 (stat) ± 2,9 (sys) ns (nanosegundos), es decir, un resultado compatible con el esperado, δt = 0. Por cierto, en la medida de la velocidad realizada entre octubre y noviembre de 2011 observaron 36 neutrinos y obtuvieron un valor (menos preciso) de δt = 6,5 ± 7 (stat) ± 6 (sys) ns, también compatible con cero. Los interesados en los detalles técnicos pueden consultar el artículo técnico Borexino Collaboration, “Measurement of CNGS muon neutrino speed with Borexino,” arXiv:1207.6860, Subm. 30 Jul 2012. Más detalles sobre el sistema de medida en B. Caccianiga et al., “GPS-based CERN-LNGS time link for Borexino,” arXiv:1207.0591, Subm. 3 Jul 2012.

La medida correcta de la velocidad de los neutrinos de OPERA en 2011 y los nuevos resultados de 2012

Hoy, el experimento OPERA ha presentado en el congreso Neutrino 2012 (Kyoto, Japón) dos medidas de la velocidad de los neutrinos. Primero, la medida correcta del adelanto de los neutrinos respecto a un fotón en el vacío utilizando los datos de 2009-2011 que se publicó en septiembre de 2011,  δt = 6,5 ± 7,4 ns, compatible con cero, y segundo, la medida del adelanto con los neutrinos enviados en mayo de 2012, δt = 1,9 ± 3,7 ns, compatible con el valor anterior y con cero. Además, el artículo enviado a publicación a JHEP en diciembre de 2011 será revisado y vuelto a enviar con las nuevas medidas. Os recuerdo que un valor δt>0 significa que los neutrinos llegaron antes de tiempo, pero que como el error en ambas medidas es mayor que el valor medido, el resultado obtenido indica que δt = 0, es decir, los neutrinos (que son sublumínicos) han viajado prácticamente a la velocidad de la luz desde Suiza, Ginebra (CNGS, CERN) hasta Italia, Gran Sasso (LNGS). Estos nuevos resultados se han publicado en la muy esperada charla de Marcos Dracos (on behalf of OPERA Collaboration) , “The neutrino velocity measurement by OPERA experiment,” Neutrino 2012, June 8, 2012 [transparencias en inglés; aparece un recuadro que indica la clave “kds” y la palabra de paso].

También se ha publicado la medida del tiempo de llegada de los neutrinos por los otros experimentos de Gran Sasso. Borexino recibió 36 neutrinos en los pulsos cortos enviados desde el CERN en octubre-noviembre de 2011, obteniendo el valor δt = -2,9 ± 7 ± 6 ns (también compatible con cero), y ha recibido 62 neutrinos en los pulsos cortos enviados en mayo de 2012, obteniendo el valor δt = 2,7 ± 1,2 ± 3 ns. Ya lo dije en este blog, ICARUS ha observado 25 neutrinos en 2012 y ha obtenido el valor δt = 5,1 ± 1,1 (stat.) ± 5,5 (syst.), es decir, δt = 5,1 ± 5,7 ns. Finalmente, LVD recibió 32 neutrinos en oct-nov de 2011, resultando δt = 2,3 ± 5,3 (stat.) ns, y ha recibido 48 neutrinos en mayo de 2012, obteniendo δt = 2,9 ± 0,6(stat.) ± 3,0(sys.) ns, es decir,  δt = 2,9 ± 4,1 ns. En resumen, todos los experimentos son compatibles entre sí y con un resultado nulo. Los neutrinos (sublumínicos) se mueven a una velocidad tan próxima a la velocidad de la luz en el vacío que en 732 km no se puede detectar la diferencia. Más información en Sergio Bertolucci (On behalf of Borexino, ICARUS, LVD and of the CNGS team), “Neutrino Speed: a Review of the Other Experiments at LNGS,” Neutrino 2012, June 8, 2012 [transparencias en inglés].

Finalmente, MINOS (EE.UU.) también ha vuelto a medir la velocidad de los neutrinos ampliando los datos que publicó en 2007 con nuevos datos hasta 2011. El nuevo resultado es  δt = −18 ± 11 (stat) ± 29 (syst) ns, también compatible con cero. 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]. Este fin de semana escribiré entradas más detalladas dedicadas a cada uno de los experimentos, con figuras y más detalles.

PS: Más información en español en los blogs: “Los neutrinos desde el CERN a Gran Sasso respetan el límite de velocidad cósmico,” CPAN Ingenio, 8 junio 2012, que destaca el uso de tecnología española (White Rabbit) para la sincronización en la toma de tiempos; Jorge Díaz, “Neutrinos en OPERA respetan límite de la velocidad de la luz,” Conexión Causal, 8 junio 2012; “Einstein se descojona en la Opera…,” Cuentos Cuánticos, 8 junio 2012.

Más información en inglés: “Neutrinos sent from CERN to Gran Sasso respect the cosmic speed limit,” CERN, 8th June, 2012 (actualización de “OPERA experiment reports anomaly in flight time of neutrinos from CERN to Gran Sasso”); Richard Ruiz, “Neutrino 2012: Day 5 Part 1: The Return of the FTL Neutrino. What has no thumbs and travels at the speed of light, to within experimental uncertainty?,” Quantum Diaries, 8 June 2012.

ICARUS contradice a OPERA: Mide 7 neutrinos que se mueven a la velocidad de la luz

Ya anunciamos en este blog que OPERA cedería su sistema de medida de la velocidad de los neutrinos a los otros experimentos de Gran Sasso. ICARUS ha medido la velocidad de los neutrinos producidos por el CERN (CNGS) y ha obtenido que se mueven a la velocidad de la luz, su adelanto respecto a un haz de fotones es compatible con δt = 0. Para los interesados en los detalles, el resultado medido es δt = 0,3 ± 4,0 (stat) ± 9,0 (syst) ns (nanosegundos); hay que recordar que OPERA midió δt = 57,8 ± 7,8 (stat) −5,9 +8,3 (syst) ns. El acelerador de protones SPS del CERN ha funcionado brevemente en un modo de baja intensidad, produciendo pulsos de solo un billón de protones en el blanco de grafito, con una duración por pulso de 3 ns y separados por 524 ns. El detector de ICARUS T600 en Gran Sasso (CNGS2) ha logrado recoger 7 eventos de neutrinos con las características energéticas que indican que fueron producidos en CNGS. Gracias al sistema de medida de tiempos de OPERA, adaptado al experimento ICARUS, se ha podido verificar que estos neutrinos han viajado a la velocidad de la luz (su masa es tan pequeña que es imposible medir con suficiente precisión su velocidad menor que la de la luz). El artículo técnico está firmado por dos españoles del CERN junto al resto de los miembros de la colaboración ICARUS, en concreto, M. Antonello et al. (ICARUS Collaboration), P. Alvarez Sanchez, J. Serrano (CERN), “Measurement of the neutrino velocity with the ICARUS detector at the CNGS beam,” ArXiv:1203.3433.

Creo que es importante destacar varias cosas. Los neutrinos medidos por ICARUS son del mismo tipo y con el mismo espectro energético que los medidos por OPERA pues han sido producidos por el mismo experimento CNGS (protones de SPS sobre un blanco de grafito que producen piones y kaones que se desintegran en neutrinos en un túnel de vacío de 1 km de longitud); además, la distancia recorrida por los neutrinos entre CNGS y LNGS (ICARUS T600 en Gran Sasso) es prácticamente la misma, unos 731 km. Esta nueva medida también ha utilizado el sistema de GPS para medir la distancia y los relojes atómicos para medir los tiempos son similares a los usados por OPERA. Los neutrinos que ha medido ICARUS fueron enviados entre el 21 de octubre de 2011 y el 6 de noviembre de 2011, aunque el artículo se publique en ArXiv hoy. Finalmente, es importante indicar que el problema detectado en una conexión de fibra óptica en OPERA no ha afectado a la medida tomada en ICARUS.

Para los que quieran más información sobre ICARUS T600 solo indicaré que se trata de un detector de neutrinos basado en un tanque (dividido en dos módulos) de 760 toneladas de argón líquido ultrapuro [web del ICARUS]; cuando un neutrino colisiona con un núcleo de argón-40 produce un electrón y un núcleo de potasio-40; el electrón tiene energía suficiente para provoca una cascada de interacciones que deja una traza visible. Más detalles en A. Fava (for the ICARUS Collaboration, I.N.F.N. Padova), “Status report of ICARUS-T600,” y en Paola Sala (INFN Milano, For the ICARUS Collaboration), “Status of the ICARUS T600,” Zurich, 07-11-2011. El artículo de ICARUS detalla cómo se han medido los errores en la medida de tiempos y parecen razonables. Habrá que esperar a próximas repeticiones del experimento con un mayor número de neutrinos para confirmar definitivamente este resultado.

PS 1: Recomiendo la lectura de Lubos Motl, “ICARUS: the neutrino speed discrepancy is 0, not 60 ns,” TRF, mar. 16, 2012. Lubos destaca y aclara que medir con precisión el tiempo de retraso de los neutrinos respecto a la luz, −δt en la notación de más arriba, es imposible con la tecnología actual por que su pequeña masa implica (c-v)≈10−20c; creo que es importante destacar este punto. Además, él se atreve a afirmar que tratar de medir la velocidad de los neutrinos, como intentaron OPERA y MINOS, no es más que un gasto innecesario de dinero. Yo no comparto esta opinión y creo que es necesario hacerlo, aunque sepamos que no vamos a poder obtener un resultado diferente de la velocidad de la luz.

PS 2: El CERN ha vuelto ha actualizar en su web la noticia “OPERA experiment reports anomaly in flight time of neutrinos from CERN to Gran Sasso,” con el UPDATE 16 March 2012: “ICARUS experiment at Gran Sasso laboratory reports new measurement of neutrino time of flight consistent with the speed of light.”

“The evidence is beginning to point towards the OPERA result being an artefact of the measurement,” said CERN Research Director Sergio Bertolucci, “but it’s important to be rigorous, and the Gran Sasso experiments, BOREXINO, ICARUS, LVD and OPERA will be making new measurements with pulsed beams from CERN in May to give us the final verdict. In addition, cross-checks are underway at Gran Sasso to compare the timings of cosmic ray particles between the two experiments, OPERA and LVD. Whatever the result, the OPERA experiment has behaved with perfect scientific integrity in opening their measurement to broad scrutiny, and inviting independent measurements. This is how science works.”

The ICARUS experiment has independent timing from OPERA and measured seven neutrinos in the beam from CERN last year. These all arrived in a time consistent with the speed of light.

PS 3: En español recomiendo leer a Jorge Díaz, “Experimento ICARUS indica que neutrinos no son superlumínicos,” Conexión causal, marzo 16, 2012. Jorge nos aclara al final de su entrada la diferencia entre error sistemático y el significado de la palabra error en el lenguaje cotidiano (más próximo a fallo): “Muchos medios han confundido los dos términos haciendo parecer que los [físicos] experimentales no hacen bien su trabajo ya que cometen errores; sin embargo, esto ocurre solo por un mal uso de la palabra error; en inglés es más fácil evitar este problema ya que se usan palabras diferentes: systematic error y mistake.” También nos destaca que otros experimentos de Gran Sasso van a repetir la medida: “La semana pasada estuve con miembros de un experimento muy diferente llamado Borexino, que está también en Gran Sasso y pueden ver los neutrinos provenientes de CERN, por lo tanto también intentarán medir la velocidad de los neutrinos. En EEUU, el experimento MINOS ha estado trabajando duro en el reanálisis de sus años de datos para mejorar la medición que realizaron en 2007. Estuve el pasado domingo con la persona a cargo de este análisis, que me contaba que hay dos analisis. Uno usa los datos que han tomado en todos estos años pero con un mejor entendimiento de sus sistemas electrónicos (conexiones fibra óptica y GPS). El otro es de datos que se están tomando en este momento hasta abril, cuando el principal complejo de aceleradores de Fermilab sea detenido para mantenimiento y modernización para el experimento NOvA en construcción. Allí comenzarán una nueva fase llamada MINOS+ que consiste en el mismo experimento MINOS pero con un haz de neutrinos más intenso y de mayor energía.”

PS 4: Merece la pena leer, como siempre, a Matt Strassler, “This Time, ICARUS Really DOES Refute OPERA,” Of Particular Significance, March 16, 2012. Lo que más me gusta es su último párrafo: “¿Para qué ha servido el caso OPERA resuelto por ICARUS? Para que los físicos de partículas y los de neutrinos en particular, valga la redundancia, hayan aprendido a medir distancias y tiempos con mucha precisión. Este conocimiento tendrá importantes aplicaciones en futuros experimentos.”

PS (20 marzo): Kanijo, “Los neutrinos no son más rápidos que la luz,” Ciencia Kanija, 20 marzo 2012, traducción de Geoff Brumfiel, “Neutrinos not faster than light,” Nature News, 16 March 2012.

OPERA unplugged: Neutrinos desconectados de la realidad

La medida de la velocidad de los neutrinos muónicos por parte de OPERA en Europa y de MINOS en EE.UU. es de capital importancia para la física. Nadie conoce la masa que tienen los neutrinos; la propiedad más importante de los neutrinos, por sus implicaciones para el futuro de la física, debe ser determinada; solo conocemos estimaciones cosmológicas de su valor máximo aceptable que exigen suponer la validez del modelo cosmológico de consenso. OPERA debe obtener la mejor medida posible de la velocidad de los neutrinos muónicos y la financiación de esta colaboración es de capital importancia. Todo el que crea que OPERA ha dejado en mal lugar a los físicos está completamente equivocado. Ellos publicaron un resultado que habían observado y que era inconsistente con las leyes de la física actuales. OPERA lo hizo para que todos los físicos interesados pudieran ofrecer ideas que les ayudasen a dirimir esta cuestión. Gracias a estas ideas y a otras de la propia colaboración OPERA se han estado realizando multitud de pruebas y se seguirán realizando. Lo importante es que dentro de 6 meses o dentro de un año, OPERA pueda tomar medidas fiables de la masa de los neutrinos, porque es necesario que lo haga. El circo mediático alrededor del resultado de los neutrinos superlumínicos es solo eso, un circo mediático. Y todo circo tiene un payaso, así que me vais a permitir, más en broma que en serio, que os presente al “payaso de la OPERA de los neutrinos.”

OPERA: “The connection of the optical fiber bringing the external GPS signal to the OPERA master clock.”

La colaboración OPERA afirma que han detectado un problema con “la conexión de la fibra óptica que conecta la señal del GPS con el reloj maestro de OPERA.” ¿Qué significa esto? ¿Qué problema se ha detectado? No trabajo en la colaboración OPERA, así que hasta que no se publiquen los detalles, no tengo ni idea de cuál es el problema de conexión que ha sido encontrado. Si he “bromeado” sobre la posibilidad de que el problema de conexión fuera un “cable mal conectado” y alguien se ha ofendido por ello, lo siento. La foto de arriba muestra el sistema donde se ha encontrado el error, que se encuentra en la superficie de la Tierra, a unos 45295 nanosegundos luz de los relojes esclavos que se encuentran en el experimento subterráneo de Gran Sasso donde se detectan los neutrinos. 

¿Cuál puede ser el problema de conexión entre el GPS y el reloj (atómico) maestro de cesio (Cs)? No tengo ni idea, pero Edwin Cartlidge en una noticia de “prensa rosa” que apareció ayer en las noticias de la prestigiosa revista Science, de la que yo me hice eco en este blog, afirmó que una fuente anónima de la colaboración OPERA le dijo que “the 60 nanoseconds discrepancy appears to come from a bad connection between a fiber optic cable that connects to the GPS receiver used to correct the timing of the neutrinos’ flight and an electronic card in a computer. After tightening the connection and then measuring the time it takes data to travel the length of the fiber, researchers found that the data arrive 60 nanoseconds earlier than assumed.” Si esta fuente es fiable o no es una cuestión de opiniones. Pero tras leer esta frase yo me imaginé a una persona ajustando a mano todos los conectores de este panel trasero.

Pero quizás mi imaginación es muy calenturienta y lo único que se hizo fue “ajustar” la conexión tocando algunos de los botones y diales de la parte frontal del equipo.

¿Pueden estas conexiones ser responsables de un retraso de 60 ns? Yo no tengo ni idea si es posible o no, pues como ya he dicho no trabajo en la colaboración OPERA; lo único que sé es que cada una de estas conexiones introduce un retraso y que dicho retraso fue estimado en el año 2009 como aparece en la figura de abajo. No sé cómo lo calcularon en detalle (al contrario que algunos telecos que leían este blog), pero por lo que parece lo han vuelto a calcular y han observado que lo que se publicó podría estar equivocado; podría haber más retrasos en las conexiones de lo que se pensaba.

Este tipo de cosas no son ciencia, son necesarias para hacer ciencia, pero estos detalles técnicos son de interés solo para los técnicos (hay cables de 2 m de longitud que introducen un retraso de 10 ns, cables de 3 m que introducen solo 5 ns y fibras ópticas que introducen retrasos de 0,16 ns/m, por poner solo algunos ejemplos). Como cualquier físico, yo asumo que estos detalles técnicos han sido bien calculados y me creo estas estimaciones de retrasos que se publican en un artículo científico sin cuestionarme cómo habrán medido el retraso de un cable de fibra óptica entre un receptor de GPS Septentrio Satellite Navigation PolaRx2eTR y un reloj atómico de cesio Symmetricom Cs4000. Quizás alguno me dirá que soy un crédulo y que me creo que esta trivialidad es trivial cuando no lo es. Pero lo siento, no me interesan estos detalles técnicos.

Yo soy patoso en un laboratorio y he sufrido en mis propias carnes el llamado “efecto Pauli” (sobre todo cuando cacharreaba por obligación en mi época de estudiante). Este tipo de detalles técnicos se los dejo a mis amigos, compañeros y alumnos que son ingenieros de telecomunicación e ingenieros industriales. Cuando necesito alguna de estas “cositas,” asumo que ellos saben lo que hacen y que lo hacen bien. Con los artículos científicos sobre resultados experimentales hago lo mismo. Asumo que ellos habrán medido bien lo que afirman que han medido.

Por cierto, ya para acabar esta entrada, la última vez que en la colaboración OPERA se comprobaron todas las conexiones entre el GPS y el reloj maestro fue en enero de 2010 (según la tesis de Brunetti). Que yo sepa, hasta febrero de 2012 no se han vuelto a comprobar; quizás lo hayan hecho, pero no he encontrado constancia por escrito.

Finalmente, si lee esto algún aficionado a los cálculos me gustaría recordar que en Gran Sasso la fibra óptica que conecta el reloj maestro en superficie con los relojes esclavos en el laboratorio subterráneo tiene 8 km e introduce un retraso de 40993,4 ns, según una calibración realizada en marzo 2006 (valor que se puede verificar sabiendo que es una fibra monomodo a 1310 nm). Las fibras ópticas que conectan los diferentes equipos son de tipos diversos y no he encontrado ninguna descripción detallada de sus características (se supone que serán las recomendadas por los fabricantes de dichos equipos). ¿Puede una mala conexión entre dos equipos añadir 60 ns? Sin conocer los detalles es imposible saberlo.

Fuente de las fotografías del equipo: Giulia Brunetti, “Neutrino velocity measurement with the OPERA experiment in the CNGS beam,” PhD Thesis, September 2011 (PhD Advisors: Dario Autiero and Maximiliano Sioli.

Prensa rosa: He pedido por Twitter que algunos me recomendéis un título para esta entrada. Aquí van vuestras propuestas:

@juanelas => Física “unplugged”

@thphysnews => And Einstein smiled once again

@DaemanUr => Queridos capullos, magufos todos

@DaemanUr => Neutrinos superlumínicos desconectados de la realidad

@SamuelDalva => OPERA: entia non sunt multiplicanda…

@SamuelDalva => OPERA: La verità in cimento

@gallir => El enchufe agujereado

@larrafonte => Cables de mierda: una retrospectiva

@kilinkis => Queridos magufos

@xiroux => Mae mía mae mía mae mía, la que se ha montao por un enchufe

@emulenews => Prensa rosa: El payaso de la OPERA de los neutrinos

La noticia de los neutrinos superlumínicos de OPERA en Nature y en Science

Adrian Cho nos cuenta que la mayoría de los físicos ha mirado con incredulidad el resultado obtenido por los físicos de la colaboración OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus). Las apuestas apuntan a un “error sistemático” no identificado aún. Pero no todos opinan lo mismo, algunos ven en dicho resultado una oportunidad única para proponer nuevas extensiones del modelo estándar. V. Alan Kostelecky, físico teórico de la Universidad de Indiana, Bloomington, EE.UU., inventó hace 15 años el Modelo Estándar Extendido (SME) que viola la teoría de la relatividad introduciendo un “campo de fondo” que actúa de “sistema de referencia preferido.” Si dicho campo de fondo solo actúa sobre los neutrinos, Kostelecky afirma que su teoría explica el resultado observado por OPERA. Su teoría no permite el envío de información hacia al pasado, evitando los problemas de causalidad que implica la existencia de neutrinos superlumínicos. Según Cho, el resultado de OPERA podrá repetido en menos de un año en MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search), en la mina de Soudan (Minnesota), que recibe neutrinos del Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory), en Batavia, Illinois (yo creo que Cho peca aquí de optimista). También podrá ser repetido por el experimento japonés T2K (Tokai to Super-Kamiokande), en el que se estudian neutrinos producidos por el JPARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) en Tokai, dirigidos hacia los detectores localizados ne la mina de Kamioka. Nos lo ha contado en Adrian Cho, “Special Relativity: From Geneva to Italy Faster Than a Speeding Photon?,” News & Analysis, Science 333: 1809, 30 September 2011.

El rumor surgió en un blog el 15 de septiembre, el artículo fue liberado el 22 y la rueda de prensa en el CERN fue el 23, aunque el resultado se descubrió en marzo de 2011. “Han pasado los últimos 6 meses tratando de buscar un error en su análisis, pero no lo han encontrado, por lo que han liberado sus resultados para recabar la ayuda de toda la comunidad,” afirma Dario Autiero, del Instituto de Física Nuclear en Lion (IPNL), Francia, coordinador de OPERA. Algunos físicos senior de la colaboración, como Caren Hagner de DESY, han preferido no firmar el artículo de OPERA; según Hagner era necesario haber seguido chequeando el resultado durante más tiempo antes de hacerlo público. OPERA está en boca de todo el mundo, ya el anuncio sobre los neutrinos superlumínicos ha generado una expectación mediática sin precedentes. Sin embargo, “la mayoría de los físicos sospechan que hay errores sistemáticos sutiles, aún por descubrir, pues el experimento es muy complicado,” como recuerda Rob Plunkett del experimento MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search) en el Fermilab, cerca de Chicago. La mayoría de las dudas apuntan a dos elementos, la sincronización mediante GPS y las diferencias entre la forma de la señal en el CERN (el tren de protones) y en Gran Sasso (el tren de neutrinos). Nos lo ha contado Eugenie Samuel Reich, “Speedy neutrinos challenge physicists. Experiment under scrutiny as teams prepare to test claim that particles can beat light speed,” News, Nature 477: 520, 29 September 2011.

En mi opinión personal, la fuente del error puede estar en el ajuste del frente de los trenes de protones y de neutrinos. En óptica no lineal, cuando se observa la propagación superlumínica de señales siempre es debido a este problema, definir correctamente cuando ha llegado el tren de fotones (paquete de ondas) debido a que su forma no coincide con el tren emitido y utilizar el mismo criterio en ambos no está justificado. Para los aficionados al deporte quizás ayude saber que este problema es el mismo que el de la foto finish. Se supone que el instante de llegada del corredor es cuando su pecho supera la línea de meta, pero que pasa si el atleta torsiona su cintura al llegar y lo que se observa en la foto finish es la llegada del hombro; o si estira el brazo y lo que llega primero a meta es la parte del pecho cercana al cuello; o que si pasa si hay atletas más altos y más bajos; cuándo llegó el centro del pecho a cruzar la línea es un problema que requiere el criterio de los jueces de la competición y este criterio puede variar de un juez a otro. La forma del frente del tren de protones (donde se inicia la cuenta de tiempos en el CERN) se utiliza como referencia (línea roja) y se ajusta a la forma del frente del tren de neutrinos (donde finaliza la cuenta de tiempos en Gran Sasso). Obviamente, los científicos de OPERA han considerado esta posibilidad en detalle, pero en este tipo de experimentos la duda siempre surge. Abajo os muestro la figura original de los frentes y la misma figura con la línea roja en blanco, ¿por dónde dirías que debería pasar la línea roja? Por cierto, la incertidumbre horizontal de los puntos de unos 50 ns y se ha medido una diferencia de tiempos de solo 60 ns. No quiero decir nada más. Entre los que opinan como yo recomiendo leer a Jon Butterworth, “Those faster-than-light neutrinos. Four things to think about,” Life and Physics, 24 sep. 2011.

El experimento OPERA en Gran Sasso observa en directo la transformación de un neutrino muónico generado en el CERN en un neutrino tauónico

Un neutrino muónico producido en el colisionador SPS del CERN, tras atravesar 732 km. por el interior de la corteza terrestre, se ha transformado en un neutrino tauónico que se ha desintegrado en un tauón (leptón tau), que tras recorrer unos cientos de micrómetros durante unas billonésimas de segundo ha colisionado con un átomo de un detector del experimento OPERA en el laboratorio subterráneo de Gran Sasso, en el norte de Italia, produciendo un bosón W que a su vez se ha desintegrado en tres partículas cargadas que han sido observadas en los escintiladores de dicho experimento. Una señal inequívoca y por primera vez una observación directa de que los neutrinos oscilan (cambian de identidad).  In extremis, justo cuando el experimento ICARUS, el relevo de OPERA, acaba de iniciar la toma de datos, este experimento ha logrado observar lo que ya parecía (casi) imposible. Una gran noticia en la física de partículas de la que se han hecho eco muchos foros, como “Particle Chameleon Caught in the act of Changing,” CERN Press release, 31 May 2010 (noticia traducida en Ciencia Kanija); “The metamorphosis of a neutrino directly observed for the first time,” INFN.it, 31-05-2010; “OPERA catches its first tau neutrino,” Symmetry breaking, May 31, 2010; Tommaso Dorigo, “OPERA Sees Tau Neutrino Appearance!!,” A Quantum Diaries Survivor, May 31st 2010; y Lubos Motl, “CERN sends muon neutrinos, Gran Sasso detected one tau neutrino,” The Reference Frame, May 31, 2010. El vídeo de youtube que abre esta entrada, de CERN Video News, explica la noticia muy bien.

Los neutrinos oscilan (cambian de tipo) porque tienen masa en reposo no nula (Premio Nobel de Física de 2002). Hay tres tipos de neutrinos (electrónico, muónico y tauónico). La evidencia cientifíca de que los neutrinos cambian de tipo conforme se propagan (tanto en el vacío como en un medio material) era indirecta (obtenida o confirmada por primera vez en 1998 por los japoneses de SuperKamiokande): al observar un flujo de neutrinos de cierto tipo se encontraban menos neutrinos de ese tipo de los esperados (luego el resto debía haber cambiado de tipo, la materia ni se crea ni se destruye). La oscilación de los neutrinos ha sido confirmada en muchos experimentos desde entonces. El experimento OPERA, en el Laboratorio de Gran Sasso, norte de Italia, se diseñó para observar “en directo” (hay que recordar que es un proceso que dura unas decenas de billonésimas de segundo)  un neutrino tauónico (en realidad el tauón en el que se ha desintegrado) en un flujo de neutrinos muónicos que ha recibido desde el CERN, a 732 km de distancia. Cada neutrino muónico necesita 2’4 milisegundos para llegar desde SPS hasta uno de los cubos del detector OPERA.

La primera vez en la historia que se observa de forma directa este fenómeno. Muchos dirán que esta noticia es poco relevante, ya que todo el mundo sabe que los neutrinos oscilan. Bueno, en OPERA llevan tres años esperando esta observación directa. Se esperaba que OPERA realizara esta observación en muchísimas ocasiones durante estos tres años. Muchos ya daban por perdida la búsqueda. Pero nunca digas nunca jamás y al final lo han logrado. In extremis. ¡Enhorabuena!

PS: la reconstrucción por ordenador del evento observado (en física de partículas, candidato a neutrino tauónico). La línea celeste es la trayectoria de un leptón tau que se supone que se produjo en la desintegración de un neutrino tau que incidió en uno de los cubos (ladrillos o bricks) de los detectores.