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).

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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.

Nuevos resultados de OPERA e ICARUS sobre los neutrinos

Hoy se han presentado los nuevos resultados de OPERA sobre los neutrinos. Se ha observado un segundo neutrino tau (la traza roja en la figura) tras analizar 1343 eventos recogidos entre los años 2010 y 2011 (el primero se observó en 2010 tras analizar 2783 eventos recogidos entre 2008 y 2009). Aún no se han analizado todos los eventos, por lo que podría detectarse algún neutrino tau adicional. Por ahora la búsqueda confirma las predicciones teóricas, pues con los datos actuales se esperaba observar 2,1 eventos sobre un fondo de 0,2. Os recuerdo que OPERA estudia la oscilación de neutrinos mu en tau, en modo aparición, es decir, los neutrinos mu son producidos en el CERN (CNGS) y oscilan a neutrinos tau conforme se propagan por el interior de la Tierra los 732 km que separan Ginebra en Suiza de Gran Sasso en Italia. Nos lo ha contado Mitsuhiro Nakamura, “Results from OPERA,” Neutrino 2012, June 5, 2012.

OPERA también ha observado 19 neutrinos electrónicos, pero es difícil saber con seguridad cuántos de estos eventos se han producido por la oscilación de neutrinos mu en neutrinos electrónicos. Por la distribución de energía de estos neutrinos parece que solo 4 son resultado de esta oscilación (tienen una energía menor de 20 GeV siendo la energía promedio del haz de neutrinos mu desde CNGS de unos 17 GeV). La señal esperada es de 1,1 neutrinos electrónicos debidos a la oscilación sobre un fondo de 3,9 (lo que hace imposible conocer en detalle el origen de los neutrinos observados). En un futuro se analizarán más datos y se mejorará la estadística. Para OPERA sería un gran éxito poder verificar la oscilación de neutrinos mu en neutrinos electrónicos.

Finalmente, nada se ha dicho en esta charla de OPERA sobre la medida de la velocidad de los neutrinos mu (habrá que esperar para conocer el resultado, es decir, que todos se mueven a la velocidad de la luz). Sin embargo, la charla de ICARUS ha incluido una discusión de los nuevos resultados de 2012 (Francesco Pietropaolo, “Results from ICARUS,” Neutrino 2012, June 5, 2012).

En mayo de 2012 se han enviado 64 paquetes de neutrinos con una duración cada uno de 3 ns y separados entre sí unos 100 ns. Esta figura muestra el resultado provisional para el tiempo de llegada de los 25 neutrinos observados por ICARUS. Aunque el análisis estadístico detallado no ha sido publicado, de forma oficiosa se ve que el retraso es de 1.1 ns con un error cuadrático medio de unos 5,7 ns, es decir, claramente se observa que el valor es compatible con cero (los neutrinos se mueven a la velocidad de la luz). Os recuerdo que con los paquetes cortos de neutrinos de octubre de 2011, ICARUS detectó solo 7 neutrinos  con un tiempo medio de llegada de 0,3 ns  con un error de 10,5 ns (error estadístico de 4,9 ns y error sistemático de 9 ns).

Adiós a la diferencia entre neutrinos y antineutrinos observada por MINOS en 2010

La noticia más esperada de la conferencia Neutrino 2012 ha sido el resultado final de MINOS tras 7 años de toma de datos y más de 1500 trillones (1,5 × 1021) de protones en el objetivo. La que fue la noticia estrella de Neutrino 2010, los “resultados de MINOS apuntan a que el neutrino es diferente de su antipartícula,” se ha desvanecido. La señal de 2010 era una fluctuación estadística. La nueva figura compara el resultado obtenido para neutrinos (estrella en azul y curva elíptica azul) con el obtenido para antineutrinos (triángulo negro y curva elíptica negra). El acuerdo entre ambos resultados es indiscutible. Para quien no lo sepa, ahora mismo tiene lugar la conferencia más esperada del año en física de neutrinos, llamada Neutrino 2012 (The XXV Internacional Conference on Neutrino Physics and Astrophysics), June 3-9, 2012, Kyoto, Japan (web indico con slides). Richard Ruiz (@bravelittlemuon) nos la está contando en directo vía Twitter con el hashtag #Neutrino12 y con algo de retraso en el blog Quantum Diaries; el primer día ofreció poco, “Neutrino 2012: Day 1,” June 5, 2012. Los interesados en más detalles pueden consultar las transparencias de la charla de Ryan Nichol, “Results from MINOS,” Neutrino 2012, June 5, 2012.

Para entender la importancia del nuevo resultado quizás convenga recordar la última figura al respecto publicada el año pasado (tomada de la web de MINOS). La curva elíptica negra y la estrella corresponden a la valor obtenido para neutrinos muónicos (este valor ha sido mejorado en la figura que abre esta entrada). La curva elíptica roja y el punto rojo corresponde al valor para antineutrinos muónicos obtenido en 2010; la estrella negra y gran parte de la curva negra están fuera de la curva roja, lo que indica que el resultado de neutrinos y antineutrinos difiere con unos 2 sigmas de confianza estadística. Mucha gente soñaba con que las últimas medidas de MINOS ratificaran el resultado de 2010 (es decir, con que la curva azul se encontrase dentro de la curva roja), lo que implicaría una violación de la simetría CPT en la física de los neutrinos muónicos (un resultado que sería revolucionario y que merecería un Premio Nobel de Física). Los resultados de 2011 ya apuntaban en esta línea, aunque algunos aún tenían esperanza ya que como muestra la figura la curva azul incluye a la curva negra, pero el punto azul estaba fuera de ella. Pero al final, el resultado de 2010 a dos sigmas, que tenía una probabilidad del 95% de ser cierto y solo un 5% de ser falso, ha resultado falto. La noticia copó muchos medios en el verano de 2010, pero ahora seguro que pasará sin pena ni gloria (porque es noticia que un hombre muerda a un perro, pero no que un perro muerda a un hombre). Ya lo hemos dicho en este blog muchas veces, un 5% de fallo es mucho en física partículas y el resultado de MINOS se ha transformado en un par de años en una mera fluctuación estadística (no quiero ponerme mérito, pero ya adelanté en 2010 que seguramente pasaría esto, pues descubrir la violación de la simetría CPT equivale a la violación de la relatividad especial (invarianza Lorentz) y parece poco razonable que la primera vez que se observase este resultado, en su caso, fuese en la física de los neutrinos, donde las incertidumbres experimentales son muy grandes).

Double Chooz se une al club θ13, formado por Daya Bay y RENO, confirmando a 3,1 σ que su valor es no nulo, en concreto, sin²  2θ13 = 0,109 ± 0,030 (stat) ± 0,025 (syst). Nos lo ha contado Masaki Ishitsuka, “Double Chooz results,” June 4, 2012. Este valor hay que compararlo con el de RENO, sin²  2θ13 = 0,113 ± 0,013 (stat) ± 0,019 (syst), que nos ha recordado Soo-Bong Kim, “RENO results,” June 4, 2012, y el de Daya Bay, sin²  2θ13 = 0,089 ± 0,010 (stat) ± 0,005 (syst), último valor publicado en la charla de  Dan Dwyer, “Daya Bay results,” June 4, 2012.