Varias noticias recientes sobre física de partículas que tienes que conocer

Dibujo20130327 BES III - Zc 3900 - possible exotic hadron

Posible observación de un hadrón exótico. BESIII, el colisionador electrón-positrón de Pekín, China, ha observado una resonancia hadrónica con una masa de (3899,0 ± 3,6 ± 4,9) MeV/c² y una anchura de (46 ± 10 ± 20) MeV, en 525 /pb de datos de colisiones que muestran desintegraciones de tipo e+ e → π± Zc(3900) → π+ π J/ψ, con una energía en el centro de masas de 4,26 GeV. BESIII ha sido ajustado para producir la resonancia Y(4260), un hadrón exótico que fue “descubierto” por BaBar en 2005, pero cuya interpretación como hadrón exótico aún no está aceptada por toda la comunidad; recuerda que a los hadrones exóticos se les llama con las letras X/Y/Z. La gran ventaja de BESIII en estos estudios es que puede ajustar la energía en el centro de masas para la producción de una resonancia concreta. La nueva resonancia Zc(3900) aparece en la desintegración de Y(4260). Para los físicos ha sido toda una sorpresa que tenga carga eléctrica. ¿Qué puede ser la nueva resonancia? Podría ser un estado tipo charmonium híbrido, un tetraquark (ccud), una molécula de dos mesones, o incluso algo más exótico, pero por ahora no se puede descartar que se trate de un artefacto de la QCD. Por cierto, BaBar (2007) y Belle (2008) ya observaron una señal de un posible hadrón exótico con una masa similar al que llamaron G(3900). La señal observada por BESIII es muy fuerte, según los autores supera los 8 sigmas. Por supuesto, la interpretación como hadrón exótico dará bastante que hablar en los próximos meses. El artículo técnico es BESIII Collaboration, “Observation of a charged charmoniumlike structure in e+e- to pi+pi-J/psi at \sqrt{s}=4.26 GeV,” arXiv:1303.5949, 24 Mar 2013. Más información sobre la noticia en “Observation of a charged charmoniumlike structure at BESIII,” BESIII News, 26 Mar 2013.

OPERA ha observado su tercer neutrino tau. La colaboración OPERA (unos 140 físicos de 11 países), situada en el Laboratorio de Gran Sasso del INFN (Italia), famosa por un cable mal conectado, ha observado su tercer neutrino tau. El experimento CNGS (CERN to Gran Sasso) envía chorros de neutrinos muónicos hacia varios experimentos en Gran Sasso y OPERA está especializado en medir los neutrinos tau, es decir, la aparición de un neutrino tau por oscilación de un neutrino muónico durante el viaje de 730 km entre el CERN y Gran Sasso. Ya no toma más datos (CNGS ya no funciona), pero se están analizando los datos ya recabados desde 2009 (en colaboraciones como OPERA el análisis de datos es el cuello de botella y no se finalizará hasta mediados 2014). En 2010 y 2012 se obervaron los dos neutrinos tau anteriores y se espera observar otros dos más (unos cinco tras el análisis de todos los datos). El anuncio oficial de la noticia en “OPERA observed a third neutrino tau,” INFN News, 26 Mar 2013; también recomiendo leer a Kathryn Jepsen, “OPERA snags third tau neutrino,” Symmetry Breaking, Mar 26, 2013. También puedes leer “Rare find backs shape-shifting neutrino,” PhysOrg.com, Mar 27, 2013.

La cámara de energía oscura DECam (Dark Energy Camera) es una cámara CCD de 570 megapíxeles (la mayor cámara digital del mundo) que cubre un área de 3 grados cuadrados de cielo (la Luna llena ocupa medio grado cuadrado de cielo). Fue instalada en noviembre pasado en el telescopio Blanco de 4 metros en el Observatorio Inter-Americano de Cerro Tololo, Chile. Forma parte de DES (Dark Energy Survey), un proyecto que se iniciará de forma oficial en septiembre de 2013 cuyo objetivo es obtener en 525 noches de observación (distribuidas en cinco años) un mapa de la distribución de la energía oscura en el universo. DES estudiará unos 200 millones de galaxias y medirá la curva de luminosidad de unas 4000 supernovas de tipo Ia (de ahí que se diga que es un telescopio de energía oscura). DES también estudiará cúmulos galáctivos, las oscilaciones acústicas de bariones (BAO) y los efectos de lentes gravitatorias débiles. Mientras no funciona para el proyecto DES, la cámara DECam es usada para otro tipo de observaciones (búsqueda de asteroides, estudios de galaxias, etc.), como nos cuenta Andre Salles, “Astronomers give Dark Energy Camera rave reviews,” Symmetry, March 27, 2013.

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.
Sigue leyendo

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).

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).

Preguntas y respuestas sobre los neutrinos superlumínicos

La portada del último número de la revista Journal of Feelsynapsis está dedicada a un artículo mío, “Sherlock Holmes y el fantasma de la Ópera,” que aparece en la pág. 72. Cuenta la historia del descubrimiento del error sistemático en el experimento de OPERA que midió la velocidad de los neutrinos de la mano del famoso personaje de Conan Doyle. Puedes leer la revista online, o descargarte el PDF completo (incluso en alta resolución).

Espero que te guste, tanto mi artículo, como el resto de la revista.

Para abrir boca me permito el lujo de incluir una entrevista sobre los neutrinos superlumínicos que me realizó Mª África Albalá Soria, estudiante de la Facultad de Ciencias de la Comunicación de la Universidad de Málaga; me envió las preguntas por e-mail y yo le contesté lo que sigue. Se supone que la entrevista es para un trabajo de clase y le pedí que me lo enviara; doy fe de que el trabajo está muy bien. Sus preguntas aparecen en negrita tal como me las envió, sin ningún cambio. Mis respuestas también tal como se las envié, sin ningún cambio.

El experimento OPERA, en Gran Sasso, Italia, reveló en septiembre que se habían detectado neutrinos más rápidos que la luz. Sin embargo, se ha comprobado que estos datos obedecían, si no me equivoco, a la conexión defectuosa de una fibra óptica. ¿Se pretende repetir el experimento OPERA una vez subsanados estos fallos? ¿Se podría predecir, en base a experimentos anteriores tales como MINOS en Estados Unidos o Super-Kamiokande en Japón, cuáles van a ser los resultados?

Sí, se detectaron dos problemas en diciembre de 2011, una conexión defectuosa de fibra óptica y un oscilador mal sincronizado, aunque no se hizo público hasta febrero de 2012. Ambos problemas han sido solventados y se ha estudiado si podrían ser la causa de que los neutrinos parecieran más rápidos que la luz. La conclusión, publicada el día 28 de marzo, es que, con toda seguridad, son los responsables del problema.

En febrero, gracias a muones de los rayos cósmicos que atraviesan en secuencia OPERA y otro experimento de Gran Sasso llamado LVD se comprobó que los datos de OPERA tenían un error de unos 73 ns que se corrigió tras resolver el problema de la fibra óptica (los datos de los muones indican que el problema de la fibra óptica surgió en el verano de 2008 pero no se sabe el porqué). Al tener en cuenta el efecto del oscilador mal sincronizado este error se reduce exactamente a los 60 ns de adelanto de los neutrinos.

Más aún, el experimento de medida de la velocidad de los neutrinos fue repetido en octubre de 2011 utilizando pulsos cortos de neutrinos tanto por OPERA como por ICARUS, ambos situados en Gran Sasso. El resultado de OPERA confirmó que los neutrinos parecían más rápidos que la luz. Sin embargo, a mediados de marzo de 2012 se publicó el resultado de ICARUS que indica que los neutrinos se movían exactamente a la velocidad de la luz (dentro de los límites de error es imposible medir su velocidad por debajo de la luz pues es muy próxima a ella). ICARUS refutó de forma definitiva el resultado de OPERA.

El 28 de marzo, en un workshop interno de la colaboración OPERA, cuyas transparencias se publicaron el 29 de marzo, el día que dimitió el portavoz de OPERA, Antonio Ereditato, se llegó a la conclusión que había que corregir en unos 60 ns todos los datos recabados por OPERA entre 2009 y 2011. Oficialmente los neutrinos de OPERA volvieron a viajar a la velocidad de la luz. Está planificado que la medida de la velocidad de los neutrinos, utilizando pulsos cortos como en octubre sea repetida en mayo; OPERA ha cedido el sistema de medida de tiempos a todos los experimentos de neutrinos de Gran Sasso, tanto ICARUS, como Borexino y LVD. Los cuatro experimentos repetirán la medida.

Todo el revuelo mediático generado por el resultado de OPERA ha hecho que MINOS (EE.UU.) haya logrado financiación para mejorar su sistema de medida de tiempos de llegada de los neutrinos (incorporando ideas desarrolladas en OPERA); este año publicarán una nueva medida con la misma tecnología utilizada en 2007, pero con todos los datos obtenidos desde entonces hasta ahora; el resultado será mejor y se espera que la anomalía observada en 2007 se corrija. Se espera que el año que viene publiquen una medida con su nuevo sistema; nadie espera que vuelvan a observar neutrinos superlumínicos.

En cuanto a T2K (Tamioka to Kamiokande) evaluaron si podían realizar una medida de la velocidad de los neutrinos, pero como su distancia entre la fuente de neutrinos y el detector es muy pequeña, su error en la medida es demasiado grande para ser comparable a los obtenidos por MINOS y los experimentos de Gran Sasso. Por ello, que yo sepa, no han logrado financiación específica para repetir la medida y ni siquiera lo intentarán (mi fuente es un español que trabaja en T2K).

Por supuesto, tras el resultado de ICARUS en marzo y el análisis detallado del error sistemático cometido en OPERA, todo el mundo sabe (o cree saber) que tanto la repetición de mayo, como los resultados de MINOS indicarán que los neutrinos se mueven a la velocidad de la luz.

En los medios de comunicación, esta noticia sobre los neutrinos superlumínicos de OPERA supuso una auténtica revolución. Sin embargo, tengo entendido que en la comunidad científica no se produjo tal revuelo, ¿es así?

Yo hablé en octubre con algunos de los mayores expertos españoles en neutrinos y todos me dijeron con absoluta seguridad que había un error, era obvio y que mientras otro experimento no verificara el resultado no merecía la pena perder el tiempo discutiendo este asunto. Los únicos que han prestado mucha atención a este asunto son los físicos “locos” (en inglés se dice “cranks”) que creen que la física moderna es falsa y que los resultados físicos obtenidos durante el s. XX están todos mal interpretados porque hay una conspiración de todos los físicos a favor de la relatividad y de la mecánica cuántica. Estos “cranks” llenaron el servidor de ArXiv con cientos de artículos sin pies ni cabeza que trataban de explicar el resultado. Los pocos artículos serios dedicados al tema dejaban claro que el resultado tenía que ser producto de un error.

Desde un primer momento, cundió el escepticismo entre la comunidad científica ante este descubrimiento, ¿a qué se debe tal desconfianza?

Por qué había tanta seguridad entre los físicos. Por muchas cuestiones, pero quizás la más importante es que el resultado medido por OPERA indicaba que los neutrinos tenían una masa un millón de veces mayor que la sabemos que tienen. No existirían ni el Sol, ni la Tierra, ni nosotros mismos si el resultado fuera correcto (en el universo no puede haber tanta masa). El que tú y yo existamos es una prueba de que el resultado era incorrecto. Además, para medir la velocidad de los neutrinos con exactitud se requería una precisión de femtosegundos (una millonésima de nanosegundo), imposible de medir en una distancia de 730 km y menos aún con un sistema basado en GPS y tecnología Ethernet (tipo internet). La estampación del instante de llegada en los neutrinos utiliza un reloj de 20 MHz, es decir, con un error de 20 ns. Con muchos neutrinos se puede bajar este error, pero la estadística no puede hacer milagros.

OPERA midió la velocidad de los neutrinos dividiéndolos en dos grupos, los más energéticos tenían una energía triple que los menos energéticos; para sorpresa de los físicos ambos resultados indicaban la misma velocidad (faltaba un factor de 9) con lo que el dato “chirriaba” por todos lados. El resultado no podía ser correcto.

Un Premio Nobel de Física, Sheldon Lee Glashow (como Sheldon Lee el personaje de la sitcom The Big Bang Theory) y un colega rescataron una idea de hacía unos 30 años, según la cual si los neutrinos son más rápidos que la luz tienen que emitir radiación similar a la de Cherenkov (la que emite una partícula que se mueve por un medio más rápido que la luz en dicho medio). Este argumento es muy general y pocos físicos dudan de él; los datos de OPERA deberían mostrar alguna señal de esta pérdida de energía, pero ni OPERA (septiembre y noviembre), ni ICARUS (octubre), ni IceCube (diciembre), observaron esta señal.

Además, el anuncio de los propios científicos de OPERA en septiembre dejó muy claro que ni ellos mismos se lo creían, pero que era lo que les daba el experimento y que querían una especie de tormenta de ideas entre todos los físicos del CERN para ver si a alguien se le ocurría una posible fuente del error que a ellos se les hubiera escapado. Con la boca pequeña reclamaban la primacia para un posible Premio Nobel, pero en rigor nadie se creía el resultado, ni ellos mismos. Lo que quedó claro tras las primeras semanas del anuncio era que el error debía ser muy sutil y requería chequear todo con extremo detalle.

Lo que ocurre con los medios es que se olvidan de estos “pequeños” detalles y se centran en lo que rellena titulares, como viajes en el tiempo. Para los expertos era obvio que había un error y que el revuelo mediático era un sinsentido.

Si no yerro, unos resultados anteriores obtenidos a partir de los neutrinos procedentes de la Supernova 1987a son inconsistentes con los arrojados por OPERA. ¿En qué consiste esa diferencia?

Los neutrinos escapan de la explosión de una supernova antes que se produzca un flujo intenso de fotones, por lo que la teoría predice que tienen que llegar antes que estos fotones. Unas tres horas antes de la explosión de la supernova 1987A, tres observatorios de neutrinos detectaron 24 neutrinos con una energía muy concreta (unos 10 MeV) y de forma casi simultánea (en pocos minutos). La probabilidad de que esto ocurriera por pura casualidad es tan baja que no hay ninguna duda de que su origen es común. Como tres horas después se detectó una supernova en la Gran Nube de Magallanes, una galaxia satélite de la nuestra, cuya distancia es bien conocida, se pudo medir la velocidad de estos neutrinos, que resultó ser la velocidad de la luz con un error menor de una parte en mil millones, lo que corresponde a una masa menor de 16 eV (hoy sabemos que su masa es menor de 0,29 eV). El experimento OPERA midió la velocidad de los neutrinos y encontró que era mayor que la de la luz en dos partes en cien mil, lo que implica una masa de los neutrinos un millón de veces mayor de lo estimado mediante medidas cosmológicas. Si los neutrinos tienen una masa tan grande, como he dicho antes, no podría existir el universo tal y como lo conocemos (por supuesto, si el modelo cosmológico de consenso es correcto).

Se ha insinuado que los resultados se publicaron de forma precipitada, sin esperar a contrastar con el segundo procedimiento de medida montado en OPERA. De hecho, algunos científicos se negaron a firmar el paper cuando se publicó. ¿Podría explicarnos esto?

Nadie sabe por qué, pero los coordinadores de OPERA decidieron hacer público el resultado a bombo y platillo en el salón principal del CERN, en lugar de anunciarlo en alguna conferencia científica (como hizo la colaboración MINOS en 2007), en contra de algunos miembros de la colaboración. OPERA está formada por científicos de 36 grupos de investigación de 13 países (no está España). Hay italianos, suizos, rusos, alemanes, japoneses, estadounidenses, etc. Quince miembros se negaron a firmar el artículo aparecido en ArXiv en septiembre; uno de ellos fue la coordinadora de uno de los grupos alemanes que dijo en la prensa de su país que había una medida de verificación del resultado que no había sido realizada y que habría que haber esperado a hacerla.

Hoy en día todo el mundo piensa que el anuncio fue precipitado, máxime cuando en pocos meses se ha descubierto el origen del error sistemático en la medida. La dimisión de los dos responsables visibles de OPERA ha sido consecuencia de esta clara negligencia.

Tal vez no sea correcto preguntarlo pero he oído que las malas lenguas afirman que este resultado ha aparecido en “un momento muy oportuno”, cuando se estaba considerando la posibilidad de retirar las subvenciones al laboratorio de Gran Sasso. ¿Cuál es su opinión a este respecto? ¿Sabe si es cierto o es mera difamación?

El laboratorio Gran Sasso incluye 18 colaboraciones y aunque Italia tiene problemas de financiación científica similares a los de España, todas tienen fondos europeos y de otros países no comunitarios. Que yo sepa no había ningún rumor de retirada de fondos para Gran Sasso.

En cuanto a la financiación de OPERA hay que recordar que estas colaboraciones multinacionales reciben fondos de los países participantes y de la comunidad europea, y aunque algunos proyectos acababan en 2011 y tenían que ser renovados, otros acababan más tarde. Yo no tengo constancia de que la presión por renovar la financiación haya influido en el anuncio.

En mi opinión, los miembros de OPERA sabían que tenía que haber un error y que para encontrarlo tenían que ceder su sistema de medida de tiempos a los otros tres experimentos de Gran Sasso. La competencia entre colaboraciones que comparten el mismo laboratorio y experimentos similares es muy fuerte. Con objeto de tener prioridad, si el descubrimiento se confirmase, decidieron hacerlo público antes de ceder su sistema de tiempos a las otras colaboraciones y evitar que alguien se les adelantara. Sinceramente, yo no encuentro otra explicación razonable.

Otro experimento posterior llevado también a cabo en Gran Sasso, ICARUS, ha encontrado siete neutrinos superlumínicos. ¿Cuál es la postura de los físicos ante este resultado?

No eran superlumínicos, todos se movieron a la velocidad de la luz. ICARUS midió estos 7 neutrinos en octubre, cuando el CERN envió pulsos cortos de neutrinos hacia Gran Sasso y OPERA midió 20, aunque más rápidos que la luz. OPERA había cedido su sistema de medida de tiempos a ICARUS, Borexino y LVD a principios de octubre y nadie pensaba que ICARUS fuera capaz de ponerlo a punto para finales de mes. Sin embargo, así fue, aunque el análisis de los datos les requirió varios meses, pues no tenían tanta experiencia como OPERA. Se publicó el resultado en marzo e indicó fuera de toda duda de que los neutrinos se mueven a la velocidad de la luz (llegaron 0,3 ns antes de tiempo, pero con un error de casi 10 ns; un error más grande que la propia medida indica un valor compatible con cero).

Tras la publicación del resultado de ICARUS ya no había ninguna duda de que OPERA presentaba un error sistemático.

¿En el caso de que los neutrinos se moviesen más rápido que la luz, qué consecuencias tendría esto? ¿Invalidaría la Teoría de la Relatividad de Einstein, porque tengo entendido que hay posturas contrapuestos ante esta cuestión?

Los neutrinos no se mueven más rápido que la luz. En su caso, las consecuencias dependen de cómo se comporten. Si se comportaran como taquiones relativistas (la medida de OPERA era incompatible con este resultado) no se invalidaría la relatividad de Einstein, pero como se sabe que el vacío es inestable si existen los taquiones, habría que hacer cambios importantes en todo lo que sabemos de física o no existiría nada en el universo. Si se comportasen como afirmaba OPERA en septiembre es casi imposible conocer las consecuencias exactas pues violaban casi todas las leyes de la física conocidas, tanto la relatividad como la física cuántica; cuando un resultado físico lo viola todo, las consecuencias son imposibles de predecir, todo dependería de qué leyes determinen su comportamiento.

La idea de que los neutrinos mu son taquiones es muy antigua (que yo sepa desde 1967) y muchos experimentos indican que lo son (aunque con un error más grande que la propia medida). Las consecuencias de que los neutrinos sean taquiones han sido analizadas con todo detalle por muchos físicos y se conocen bastante bien (no violan la relatividad ni la física cuántica, aunque causan muchos problemas a la teoría de la gran explosión o big bang).

Por último, los neutrinos constituyen una realidad desconocida para mucha gente, ¿podría explicar qué aplicaciones tienen y si se ha pensado en alguna en el caso de que circulen más rápido que la luz?

Los neutrinos son partículas que son muy difíciles de detectar o medir, aunque son muy fáciles de producir (tu cuerpo contiene unos miligramos de potasio que emiten neutrinos). La aplicación más obvia son los telescopios de neutrinos, que permiten ver el interior del Sol, algo imposible con fotones, y se propagan por el espacio en línea recta como si nada se interpusiera en su camino. Los neutrinos son las partículas ideales para explorar los fenómenos violentos del universo más alejados de nosotros. Por ello, los mayores detectores de neutrinos del mundo se llaman telescopios de neutrinos.

Se han propuesto algunas aplicaciones curiosas, como utilizar los neutrinos para transmitir mensajes desde submarios cuando se encuentran a gran profundidad. Sin embargo, es un procedimiento muy caro y muy lento para enviar mensajes y los submarinos usan hoy en día ondas de radio ultralargas.

Los neutrinos no son superlumínicos, pero si lo fueran, la teoría de la relatividad permite enviar mensajes al pasado de nuestro futuro (como el antiteléfono de Tolman). Una señal más rápida que la luz permite usar un protocolo por el cual yo podría recibir un mensaje el mes que viene con, por ejemplo, el número premiado en la lotería de Navidad de este año. Así podría comprar un décimo ganador. No se pueden construir máquinas para viajar en el tiempo ni tampoco enviar mensajes a mi pasado actual, solo a mi pasado futuro. Pero la verdad es que estas violaciones de la causalidad permitidas por la relatividad de Einstein son prohibidas por la mecánica cuántica (es una cuestión técnica, pero los taquiones se condensan e inestabilizan el vacío, como sabemos que el vacío es estable, es imposible que existan los taquiones).

De nuevo, muchas gracias.

Atención, pregunta: ¿Son responsable Auterio y Ereditato del error de OPERA?

Auterio y Ereditato han dimitido. Aunque no hay comunicado oficial, parte de la prensa apunta a que algunos miembros de la colaboración OPERA les han pedido que dimitieran. La verdad es que, sin acritud, el problema de OPERA ha sido debido a una negligencia cuyo responsable último es Auterio, como coordinador científico de OPERA. En 2006, Auterio contó en una charla todos los chequeos que se iban a realizar para verificar la validez de las medidas de la velocidad de los neutrinos. Uno de estos chequeos utilizaba muones originados en los rayos cósmicos que atravesaran en secuencia los experimentos OPERA y LVD de Gran Sasso. Los datos de estos muones han sido recogidos desde 2007 hasta 2012. En 2007 y a principios de 2008 se verificó gracias a estos muones que el sistema de medida de tiempos de OPERA funcionaba bien. Sin embargo, tras el verano de 2008, en 2009, en 2010 y en 2011 no se ha vuelto a repetir esta verificación. Los datos han sido tomados, pero el análisis no ha sido realizado. ¿Por qué? ¿Quién es el responsable de esta negligencia? Obviamente, el responsable último tiene que ser el coordinador científico. Por alguna razón desconocida Auterio no exigió que estos análisis fueran realizados aunque se hubieran tomado los datos. Por alguna razón olvidó sus propias palabras de 2006. Visto lo visto, no hay otra opción, su cabeza tenía que caer bajo la guillotina de la dimisión. El análisis realizado en 2012 utilizando los datos recogidos entre 2008 y 2012 muestra claramente el error. Un error que podría haber sido detectado en septiembre de 2008, o en 2009, o en 2010, o en 2011, antes del anuncio de septiembre de 2011. Podría haber sido detectado si el análisis hubiera sido realizado con los datos disponibles. ¿Por qué no se realizó este análisis? ¿Por qué Auterio olvidó sus propias palabras de 2006? Lo siento por los que creen que Auterio y Ereditato han dado ejemplo dimitiendo, lo siento, pero al menos a Auterio, como coordinador científico de OPERA, había que exigirle responsabilidades pues su grave negligencia es la causa del error de OPERA. Mis palabras pueden resultar duras, pero así son las cosas, quien mete la pata hasta el fondo, a sabiendas, tiene que pagar por ello. Y lo digo en voz alta, a sabiendas. La dimisión no excusa responsabilidades mayores.

¿Qué opinas sobre este tema? Usa los comentarios si te apetece.

PS (2 abril 2012): Antonio Ereditato “confiesa sus pecados” en Le Scienze (edición italiana de Scientific American, equivalente a Investigación y Ciencia española): “OPERA: Ereditato’s Point of View. Antonio Ereditato sent us this message which we are happy to publish regarding his resignation as Chairman of the OPERA experiment,” Le Scienze, 30 marzo 2012. Llevar sobre los hombros el experimento OPERA después del revuelo mediático de septiembre de 2011 con los neutrinos superlumínicos ha sido una carga muy pesada. Aún así, ha realizado acuerdos con ICARUS y LVD, ha cedido ideas de la medida de tiempos de su experimento y ha hecho todo lo posible por esclarecer el asunto. Sus esfuerzos han tenido su fruto y gracias a ellos ya sabemos que hubo un error que fue responsable del resultado. Estos meses han sido muy duros y notado cierto descontento por parte de los miembros de OPERA, por ello ha decidido dimitir. Ahora podrá descansar un tiempo para recuperarse de toda la presión acumulada.

Se hacen eco Tushna Commissariat, “Have superluminal claims been put to rest? OPERA physics co-ordinator Dario Autiero resigned on Friday,” Blog, PhysicsWorld.com, Apr 2, 2012, y Eugenie Samuel Reich, “Embattled neutrino project leaders step down. No-confidence vote follows confirmation of faults in experiment’s cable and clock,” Nature News, 02 April 2012.

El experimento LVD de Gran Sasso confirma con muones de rayos cósmicos el error de 60 ns de OPERA sobre los neutrinos

¿Por qué han dimitido Auterio y Ereditato de OPERA? Nadie lo sabe con seguridad, pero los rumores apuntan a que la razón es la verificación realizada con rayos cósmicos por el experimento LVD (también en Gran Sasso) de la existencia de un error de 60 ns en la medida de tiempos de OPERA. Los muones de los rayos cósmicos a veces pasan por LVD y por OPERA, primero por uno y luego por el otro; se ha medido el momento en que pasan por cada uno para comprobar el sistema de medida de tiempos de OPERA. El resultado indica que la medida de tiempos en OPERA tiene un error sistemático de unos 60 ns (exactamente el adelanto de los neutrinos muónicos publicado en septiembre de 2011). En 2008, LVD y OPERA midieron el momento de llegada de los muones cósmicos y comprobaron que sus relojes estaban bien sincronizados, no había adelanto en OPERA. En algún momento durante 2008 ambos relojes dejaron de estar sincronizados y OPERA adquirió un error sistemático de unos 60 ns. LVD confirma de forma definitiva lo que muchos ya nos temíamos desde hace muchos meses; un error sistemático de 60 ns en OPERA es el causante de la anomalía observada con la velocidad de los neutrinos. Obviamente, ya no hay vuelta de hoja: errores “tontos” observados en OPERA, un desmentido por ICARUS y otro por LVD son ya demasiadas pruebas a favor del delito, la medida de OPERA era errónea fuera de toda duda. La cuestión que tendrás ahora mismo en tu cabeza es, ¿por qué no comprobaron en 2009, en 2010 y en 2011 la sincronización entre LVD y OPERA con muones cósmicos? Nadie lo sabe, por ahora, pero lo que está claro es que esta incompetencia exige que Auterio y Ereditato dimitan fuera de toda discusión (y la discusión de verdad no está en este blog sino en la propia colaboración OPERA). Más información en Matt Strassler, “OPERA’s Timing Issue Confirmed?,” Of Particular Significance, March 30, 2012; la fuente de esta entrada es (en italiano) Emanuela Gialli, “Neutrino, verso il verdetto finale,” RAI Televideo.

Un muón recorre los 160 m entre OPERA y LVD en unos 500 ns (a la velocidad de la luz).

Los rayos cósmicos son partículas de alta energía provenientes del espacio exterior que colisionan con átomos de la atmósfera terrestre creando chorros de piones, muones e incluso neutrinos (y sus antipartículas). Unos 300 muones (o antimuones) han logrado penetrar la roca de la montaña encima del laboratorio de Gran Sasso y atravesar los experimentos OPERA y LVD de forma casi simultánea (están separados unos 160 m, por lo que estos muones son detectados en LVD unos 0,5 μs después que en OPERA).

El análisis de los datos entre 2007 y 2012 muestrapasó algo en el verano de 2008 que introdujo un error sistemático en las medidas de tiempos de OPERA. Esta figura aparece en Maximiliano Sioli (Bologna University and INFN), “Updated results of the OPERA neutrino-velocity analysis on behalf of the OPERA Collaboration,” LNGS Workshop, March 28th 2012. La diferencia entre el tiempo de llegada de los muones a OPERA y a LVD cambió en un valor de 73 ± 9 nanosegundos en algún momento entre mayo y agosto de 2008, con respecto al valor medido con anterioridad. Tras descubrir el problema en OPERA con el conector de fibra óptica en enero, se ha arreglado dicho problema y las medidas de los tiempos han vuelto a su valor anterior a 2008 (el valor medido es para la diferencia es de −1,7 ± 3,7 ns, es decir, cero). El problema de la diferencia de tiempos de llegada para los muones entre OPERA y LVD se ha arreglado. Todo indica que los dos problemas detectados en enero en OPERA, el cable de fibra óptica mal conectado y el reloj mal sincronizado eran responsable íntegros del problema de OPERA. El cable de fibra óptica introducía un error de unos 73 ns y el reloj corregía esta valor hasta unos 60 ns. Misterio resuelto.

Esta fotografía nos muestra la tarjeta de circuito donde se detectó la conexión incorrecta del famoso cable de fibra óptica; he señalado en rojo el lugar donde estaba conectado incorrectamente el cable de fibra óptica que introducía un retraso de unos 73 ns. Esta fotografía de 2006 está extraída de una charla de D. Auterio, “Timing and data-exchange between CERN and LNGS,” [fichero PPT]. La vista de la conexión del cable aparece en la fotografía de abajo; el 6 de diciembre el cable estaba mal conectado y en la fotografía se ve perfectamente, comparada con su correcta conexión el 14 de diciembre. La fotografía está extraída de la charla de G. Sirri (INFN Bologna), “Measurements and cross checks on OPERA timing equipments,” [fichero PPTX].

Las medidas del tiempo necesario para que una señal del GPS llegue desde el reloj maestro en la superficie hasta el reloj esclavo en el experimento subterráneo OPERA no dejan lugar a dudas. El 20 de julio de 2006 y el 13 de diciembre de 2011, tras arreglar el problema del conector, el resultado coincide; sin embargo, el 6-8 de diciembre de 2011 se observaba un retraso de 73,2 ± 0,6 ns debido a la conexión incorrecta. La señal de este conector actúa sobre un fotodiodo ETX100 que activa un preamplificador de la señal. La conexión defectuosa actúa de forma efectiva como un cambio en la capacidad del fotodiodo lo que introduce un retraso en la recepción de la señal óptica.

Si lee esto algún experto en fibra óptica y/o comunicaciones ópticas, disfrutará de la figura de arriba , que muestra claramente el problema introducido por el conector defectuoso; ya expliqué este problema como conjetura en una entrada anterior de este blog, que fue muy criticada por algunos lectores; ahora se confirma que la explicación era correcta, lo siento por los críticos, pero a veces, muy pocas veces, acierto. Brevemente, la conexión incorrecta atenúa la intensidad de la luz que recibe un fotodiodo acoplado a un circuito analógico que debe producir un pulso como entrada a un circuito digital. El pulso se genera con un retraso debido a que la pendiente de la señal de entrada (curva azul) es menor de la esperada. Respecto a la medida de los tiempos de llegada de los neutrinos, este retraso corresponde a que los neutrinos parezca que llegan antes de tiempo (el pulso se utiliza para “estampar” el momento de llegada).

La gran pregunta es ¿por qué no se realizó este chequeo con muones de forma periódica durante los últimos tres años? O al menos antes de hacer públicos los resultados sobre los neutrinos superlumínicos. Como acaba Matt Strassler la entrada en su blog, como en las mejores óperas italianas, tras la resolución de la tragedia, algunas cabezas han tenido que rodar.

Los líderes de la colaboración OPERA dimiten por el asunto de los neutrinos superlumínicos

Dario Auterio (izq.) y Antonio Ereditato (der.) aparentemente felices.

Pilatos se lavó las manos (aunque nadie viera la sangre de los inocentes en ellas). En los grandes experimentos científicos siempre hay un jefe (coordinador) y un portavoz (quien da la cara y responde ante la prensa). Dario Auterio (coordinador de OPERA) y Antonio Ereditato (portavoz de OPERA) han dimitido. Son responsables de toda la “mierda” que le ha caído a la colaboración OPERA y deben “lavar” la imagen de la colaboración, que cual ave Fénix debe renacer limpia como el culito de un bebé recién nacido. ¿Han hecho bien Auterio y Ereditato? Todo depende de la declaración oficial de las razones por las que han dimitido. Por ahora, todo se ha quedado en un “sin comentarios.” No hay declaración oficial. Dimiten porque la colaboración OPERA está dividida entre quienes quieren sus cabezas bajo la guillotina y quienes creen que lo han hecho lo mejor que se podía hacer. Habrá que esperar para saber más detalles… la prensa rosa es parte intrínseca e indisoluble de toda actividad humana y la ciencia no está libre de ella. Más información en Eugenie Samuel Reich, “Leaders of faster-than-light neutrino team resign,” Nature News, 30 Mar. 2012; T. Dorigo, “Superluminal Neutrinos: Opera Spokesperson Resigns,” AQDS, March 30th 2012; L. Motl, “OPERA experiment spokesman resigned,” TRF, March 30, 2012; “Dimite el coordinador del fallido experimento que cuestionaba a Einstein,” El País, 30 Mar. 2012; “Dimite el científico italiano que dirigió el experimento fallido de los neutrinos,” El Mundo, 30 Mar. 2012; etc. en Noticias Google.

Qué puede haber pasado con el cable de fibra óptica en OPERA

No hay aún un comunicado oficial de carácter técnico sobre los problemas que han sido detectados en el experimento de OPERA para medir la velocidad de los neutrinos muónicos entre el CERN (CNGS) y Gran Sasso (LNGS). A partir del comunicado oficial y de lo que han dicho Antonio Ereditato (portavoz de OPERA) y Caren Hagner (coordinadora del grupo alemán de OPERA) lo único que se puede hacer es conjeturar lo que ha podido pasar. Por lo que parece al mover un cable de fibra óptica se introduce un retraso en el momento en el que se estampa el instante de tiempo en los eventos de los neutrinos, un retraso que podría llegar a ser tan alto como 100 ns. Eric Shumard nos ofrece una posible conjetura en un comentario en el blog de Matt Strassler, que aclara en un segundo comentario. Permíteme traducir de forma libre dichos comentarios, aunque quiero dejar muy claro que son conjeturas y que puede que no tengan nada que ver con la verdad. Hasta que no haya comunicación oficial (si la hay) todo lo escrito en esta entrada podría ser mentira.

Shumard cree que se utiliza un fotodiodo que detecta los pulsos que se reciben a través del cable de fibra óptica, cuando la señal del fotodiodo supera cierto umbral la electrónica activa la estampación del instante de tiempo asociado al evento. Si el cable no está perfectamente alineado con el fotodiodo, el ángulo del cable afectará al instante en el que se supera el umbral, introduciendo un retraso. Como la información sobre el instante de tiempo se codifica en 80 bits que han de ser transmitidos en una ventana de tiempo de 1 ms, Shumard cree que es razonable pensar que se utilizan pulsos con una pendiente (o un borde) bastante suave, lo que acentuaría el efecto y permitiría entender por qué desalinear el cable de fibra y el fotodiodo puede introducir un retraso tan alto como 100 ns.

Un convertidor optoelectrónico digital está diseñado para dar una salida en binario (dos tensiones que representan un cero o un uno) cuando la luz entrante es mayor que cierto umbral. Según Shumard, el instante en el que se recibe la señal del GPS se determina integrando la señal  óptica que pasa de un valor cero a un valor uno, es decir, en el borde de subida de un pulso óptico. La primera sección del convertidor optoelectrónico estará formada por un fotodiodo más un amplificador. Supongamos que el umbral de aceptación de esta primera sección es de 1000 fotones/ns. Si la señal óptica entrante se inicia en el instante t=0 con 0 fotones/ns y luego aumenta linealmente hasta 100000 fotones/ns en un intervalo de tiempo de 100 ns (la pendiente es de 1000 fotones/ns por ns), el convertidor detectará la señal supera el umbral a partir de T=1 ns. Si la señal óptica es atenuada en un factor de 10, entonces la pendiente de la señal óptica entrante será de solo 100 fotones/ns por ns y el convertidor detectará que la señal ha pasado el umbral después de T=10 ns.

Esta explicación parece razonable, pero, repito, es una conjetura concebida por alguien que está fuera de la colaboración OPERA y puede ser completamente errónea, aunque a mí me parezca razonable. Hasta que no haya un comunicado oficial de carácter técnico no podemos decir más al respecto.

La gran cuestión que cualquiera se plantea al leer una explicación de este tipo es la siguiente (Matt Strassler también se la plantea en esta entrada). Se tomaron medidas de los neutrinos en 2009, 2010 y 2011, ¿ha estado el cable en la misma posición durante 3 años? ¿Por qué las medidas de los 3 años son, más o menos, consistentes entre sí en cuanto al retraso de unos 60 ns en la llegada de los neutrinos? ¿No se puede reconstruir el efecto del cable a partir de los datos ya obtenidos? Esta figura está extraída del artículo en ArXiv de OPERA (he añadido la línea roja donde se esperaba que llegaran los neutrinos); como cualquier resumen estadístico de una serie de datos muestra una verdad sesgada, pero oculta muchas otras. Mirando el año 2009 en esta figura da la sensación de que la calibración del sistema de tiempos que hizo a principios de 2010 era muy necesaria. Los datos de 2010 parecen sesgados hacia abajo, o los de 2011 sesgados hacia arriba. En cualquier caso, como bien dice Strassler, se diría que o bien el cable no se movió mucho durante la ejecución del experimento, o bien no es la causa principal del resultado obtenido por OPERA. Solo lo sabremos en mayo; como muy bien ilustra la figura de abajo diseñada por M. Strassler, ahora mismo el resultado del experimento OPERA es solo un interrogante. En mayo o junio, cuando se publiquen las nuevas medidas, quizás salgamos de dudas.