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.

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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.