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 OPERA de mayo de 2012 de la velocidad de los neutrinos mu

Lo primero, si quieres enterarte de cómo funciona el experimento OPERA para la medida de la velocidad de los neutrinos, te recomiendo que te leas mi artículo “Sherlock Holmes y el fantasma de la Ópera,”  Journal of Feelsynapsisque aparece en la pág. 72 [puedes leer la revista JOF online, o descargarte el PDF completo]; la gente que lo ha leído dice que le gusta (quien no lo ha leído no dice nada, ¿aún no lo has leído?).

Lo segundo, quisiera felicitar a Antonio Ereditato y Dario Autiero por lo bien que manejaron la crisis en el experimento OPERA cuando se convirtió en una bomba informativa que los neutrinos le habían hecho un corte de manga a Einstein; gracias a su labor, digna del personaje de Conan Doyle, como enaltezco en mi artículo en JOF, hoy se ha publicado una medida de la velocidad de los neutrinos mediante los cuatro grandes experimentos situados en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso: ICARUS, Borexino, LVD y OPERA. Ereditato y Auterio  tuvieron que dimitir, pero su labor gestionando la crisis durante el mes de octubre de 2011 ha sido fundamental para el logro que se ha publicado hoy en el congreso Neutrino 2012, Kyoto, Japón.

Lo tercero, copio de mi artículo en JOF, “en este blog leerás en varias ocasiones que los neutrinos se mueven a la velocidad de la luz, aunque en realidad se mueven por debajo de esta velocidad, pero la diferencia es tan pequeña que es despreciable. Sabemos que la suma de las masas de los tres tipos de neutrinos es menor de 0,39 eV/c2 según medidas cosmológicas y que los neutrinos observados por OPERA tienen energías entre 4 y 45 GeV, con lo que un cálculo relativista sencillo nos dice que se mueven a una velocidad mayor del 99,99999999% de la velocidad de la luz en el vacío. Para medir esta velocidad los experimentos como OPERA deberían ser capaces de medir diferencias de tiempos de llegada de los neutrinos de unos pocos femtosegundos (millonésimas de nanosegundo). En la actualidad es imposible diseñar un experimento capaz de alcanzar esta precisión en una distancia de 730 km; el sistema de medida de tiempos desarrollado para OPERA, el más preciso del mundo en experimentos con neutrinos, solo puede medir diferencias de pocos nanosegundos.”

Y lo cuarto es ir al grano. El objetivo de esta entrada es doble, por un lado, describir el experimento realizado en mayo de 2012, que repetía la medida con pulsos cortos realizada en octubre de 2011, tras corregir los fallos descubiertos en diciembre de 2011 en el experimento OPERA. Por otro lado, comentar cómo se ha corregido la medida de la velocidad de los neutrinos publicada en septiembre de 2011 y que aparecerá en el artículo final que acabe siendo publicado en la revista JHEP. La fuente de esta entrada es la charla de hoy de Marcos Dracos (on behalf of OPERA Collaboration) , “The neutrino velocity measurement by OPERA experiment,” Neutrino 2012, Kyoto, Japón, June 8, 2012 [transparencias en inglés; aparece un recuadro que indica la clave “kds” y la palabra de paso].

Entre el 10 y el 24 de mayo de 2012, el experimento CNGS (CERN to Gran Sasso), situado en el CERN (cerca de Ginebra, Suiza), ha enviado cuatro ráfagas de protones a un blanco de grafito que ha producido mesones que se han desintegrado en un túnel de vacío de 1 km de longitud produciendo neutrinos mu dirigidos hacia el Laboratorio Nacional de Gran Sasso (LNGS), a 120 km de Roma, Italia, construido bajo una montaña de 1400 metros de roca. Cada ráfaga está compuesta de 16 paquetes separados en el tiempo unos 300 ns y cada paquete está compuesto de dos chorros cortos de neutrinos (unos 3 ns) separados 100 ns, como muestra la figura. Para producir estos 256 paquetes de neutrinos se han enviado al blanco unos 200 mil billones de protones durante dos semanas.

En los detectores del experimento OPERA se han detectado solo unas decenas de neutrinos. Por cada neutrino, gracias a un complejo sistema de medida del tiempo de vuelo de vuelo de los neutrinos utilizando relojes atómicos y un sistema de GPS, se ha determinado el retraso δt de su llegada con respecto al momento esperado para la llegada de un fotón que recorriera la misma distancia. Si δt>0 significa que el neutrino ha llegado antes de lo que llegaría un fotón. Si δt<0 significa que el neutrino ha llegado después. Esta figura muestra el retraso en el tiempo de llegada de todos los neutrinos detectados en función del tipo de detección (no quiero entrar en detalles técnicos sobre cada uno de estos modos de detección pues me alejaría de mi objetivo). Como muestra esta figura, en todos los casos el valor medio es negativo, los neutrinos llegaron con retraso (no con adelanto como se creía en septiembre de 2011), aunque el error cuadrático medio es comparable al valor medido, lo que indica que en todos los casos los neutrinos se movieron “aparentemente” a la velocidad de la luz. En concreto, 59 neutrinos dan un valor de δt = −1,6 ± 8,5 ns (nanosegundos), unos 42 neutrinos dan δt = −2,7 ± 8,4 ns, otros 48 neutrinos dan δt = −6,1 ± 6,6 ns, y finalmente los últimos 40 neutrinos dan δt = −5,1 ± 4,1. Cuando se tienen en cuenta todos estos estos neutrinos se obtiene un valor de δt = −1,6 ± 7,2 ns, lo que implica que la velocidad relativa de los neutrinos respecto a la velocidad de la luz en el vacío ha sido de (v-c)/c = (−0,7 ± 3,0)×10−6, un valor que hay que comparar con el medido mediante supernovas (para neutrinos electrónicos) que es igual a (v-c)/c = (2,0)×10−9. Por tanto, como es de esperar los neutrinos según el experimento OPERA con pulsos cortos realizado en mayo de 2012 son sublumínicos y se mueven a la “velocidad de luz” dentro de los márgenes de error del experimento.

Por otro lado, tras el descubrimiento en diciembre de 2011 de los dos errores sistemáticos en el experimento OPERA, se ha realizado un intenso estudio sobre su estabilidad entre 2009 y 2011; caso de que el error sistemático se haya mantenido estable podrá ser descontado de los datos recabados, que podrán ser corregidos. La conclusión obtenida (que ya anticipamos en este blog de forma oficisa) es que los errores se han portado de forma estable y todos los datos analizados en septiembre de 2011 pueden ser realizados. El cable de fibra óptica mal conectado adelantaba el tiempo de llegada de los neutrinos en 74 ns y el desplazamiento en la frecuencia de del reloj maestro interno (Δf/f = 124 ns/s) retrasaba articifialmente la llegada unos 15 ns. Como ambas anomalías parecen constantes, gracias al estudio de los muones que han cruzado LVD y OPERA de forma consecutiva, se puede corregir su efecto y se pueden aprovechar todos los datos de neutrinos recabados por OPERA entre 2009 y 2011, que han sido reanalizados por completo.

El resultado del nuevo análisis (todavía calificado de preliminar, con lo que podría cambiar ligeramente) es que los 15223 neutrinos para los que se pudo determinar con precisión suficiente su instante de llegada a Gran Sasso lo hicieron con un adelanto respecto a un fotón en el vacío de δt = +6,5 ± 7,4 ns, es decir, un resultado compatible con la ausencia de adelanto δt = 0. Para el relativo en la velocidad de los neutrinos respecto a la velocidad de la luz en el vacío se ha obtenido el valor (v-c)/c = (+2,7 ± 5,6)×10−6, un error relativo mil veces mayor que el obtenido con datos de supernovas. El reanálisis de los datos de pulsos cortos de neutrinos recogidos en octubre de 2011, tras restar el error sistemático, ofrece un adelanto para los 20 neutrinos detectados de δt = +1,9 ± 3,7 ns. Este resultado es compatible con el anterior y con el resultado nulo.

En resumen, OPERA nos ha ofrecido hoy tres medidas del adelanto o retraso en la llegada de los neutrinos respecto a un fotón, una negativa (la de mayo de 2012) y las otras dos positivas, pero en todos los casos con un error que las hace compatible con cero. Los neutrinos son sublumínicos y se mueven a una velocidad mayor del 99,9997% de la velocidad de la luz en el vacío (según OPERA).

Para acabar, recordar de nuevo que el mejor método disponible para medir la velocidad de neutrinos en una distancia de unos 730 km ha conducido a un resultado con un error mil veces mayor que el obtenido gracias a la explosión en 1987 de una supernova en la Gran Nube de Magallanes, una galaxia satélite de la Vía Láctea. Mejorar el valor obtenido utilizando el sistema de medida de tiempos tipo OPERA (utilizando GPS y relojes atómicos sincronizados) hasta que su error sea comparable al obtenido con el obtenido en 1987 gracias a una supernova es imposible con dicha tecnología. Aún así, el resultado obtenido por OPERA es un gran ejemplo de que el método científico funciona. Como acabo mi artículo en JOF, “La verdad científica nunca está en posesión de una sola fuente, siempre es necesario el consenso entre muchas. La jugada maestra de OPERA de ceder su sistema de medida de tiempos a las otras tres colaboraciones de Gran Sasso, en especial a ICARUS, y su colaboración con LVD han sido claves para resolver el misterio. Porque como en las mejores novelas de Sherlock Holmes, la verdad siempre acaba viendo la luz.”

PS (14 junio 2012): El artículo de OPERA con los neutrinos de Teramo detectados en LVD y OPERA, así como la corrección de las medidas publicadas en 2009 es el siguiente: N. Yu. et al. (LVD & OPERA Collaborations), “Determination of a time-shift in the OPERA set-up using high energy horizontal muons in the LVD and OPERA detectors,” arXiv:1206.2488, Submitted on 12 Jun 2012 (nótese que A. Ereditato es uno de los autores).