Qué relación hay entre OPERA y el CERN

La mayoría ya sabéis que he escrito una entrada para Amazings.es sobre el experimento OPERA de los neutrinos superlumínicos, “¿Qué ha pasado con el experimento OPERA?,” 24 feb. 2012. El complemento ideal a dicha entrada es la “Entrevista a Caren Hagner: El error de OPERA en los neutrinos superlumínicos,” 27 feb. 2012, traducida del inglés por Kanijo. Estas entradas tratan de poner los pies sobre la tierra para evitar lo que pasa a veces con los medios, que desvirtúan las noticias a extremos inimaginables para una mente cuerda; el mejor ejemplo es “Antena 3 y su universo alternativo en ciencia,” 27 feb. 2012, que nos destacó Irreductible en Amazings.es; ¿rectificar Antena 3, para qué? Incluso en su web siguen en sus trece: Sobre el CERN afirma que “ha reconocido que todo fue un error debido a una mala conexión de un cable de fibra óptica que ha hecho inutiles todos sus experimentos. Al final 27 kilómetros de túneles, una construcción de 1.700 millones de Euros y 1.500 millones anuales de presuesto para 2.000 cientificos de 34 paises no han podido superar Albert Einstein.” He escrito un comentario en Amazings con una transcripción de la noticia de Antena 3 y la explicación de sus múltiples errores [copia al final de este post].

Una cuestión que se pregunta mucha gente es qué relación hay entre OPERA y el CERN. Permíteme un comentario al respecto, similar a uno ya realizado por Matt Strassler en su blog. En física de partículas es bastante habitual que un laboratorio produzca un haz de partículas y que otro grupo de personas, que no tengan nada que ver con los primeros, construyan un detector para dichas partículas; además, hay incluso grupos de personas que desarrollan un experimento que utiliza el haz de partículas de unos y los detectores de otros pero que tampoco son las personas responsables de ambas instalaciones. El CERN tiene un experimento llamado CNGS que produce haces de neutrinos dirigidos hacia Gran Sasso, cerca de Roma (CNGS significa CERN to Gran Gasso). Obviamente, el CERN tiene que aprobar cualquier uso de CNGS, como el que hace OPERA. En OPERA trabajan unos 160 investigadores de 30 instituciones de 11 países; los países con mayor contribución a su financiación son Italia y Japón. Como OPERA necesita usar el haz de neutrinos producido por el CERN, algunas de estas personas pertenecen al CERN, en concreto a CNGS; pero el diseño del experimento para medir la velocidad de los neutrinos y su ejecución es responsabilidad de OPERA y de las 30 universidades y/o laboratorios que intervienen. Ningún miembro del CERN es responsable de OPERA, ni controla lo que se hace en OPERA. La responsabilidad del CERN (en concreto de CNGS) es proveer un haz de neutrinos muónicos de calidad y hasta donde sabemos el CERN a cumplido al 100% con su cometido. Si ha habido cualquier problema en la instalación de OPERA a 730 km de distancia del CERN, podemos excluir toda la responsabilidad del CERN sobre dicho problema. Otra cuestión sería que hubiera habido problemas con el haz de neutrinos generado por CNGS, en cuyo caso la responsabilidad tendría que ser asumida por el CERN.

Por qué el anuncio oficial sobre el problema de OPERA aparece en la página de noticias del CERN. El CERN es responsable de la colaboración CNGS que envía neutrinos muónicos desde el CERN hacia LNGS (Gran Sasso National Laboratory). OPERA utiliza CNGS y LNGS. Todos los experimentos que utilizan CNGS pueden usar los servicios de prensa del CERN para realizar comunicados (la gran ventaja es que los servidores de noticias del CERN son muchos más visitados que los suyos). Creo que hay que recordar que el CERN hay muchas más cosas que el LHC (que es el proyecto estrella, claro está) y sus colaboraciones (ATLAS, CMS, ALICE, LHCb, TOTEM y LHCf). Algunos experimentos del CERN que no tienen nada que ver con el LHC son ALPHA, ASACUSA, ATRAP, AEgIS, CLOUD, ACE, ISOLDE, nTOF, CAST, OSQAR, etc. Incluso AMS-2 (que está en la estación espacial internacional ISS) también es (en parte) un experimento del CERN. Todas estas colaboraciones pueden usar los servicios de prensa del CERN para dar mayor visibilidad a sus resultados.

Otra cuestión que se pregunta mucha gente es qué papel juego el LHC del CERN en el experimento OPERA. Incluso hay gente que cree que los neutrinos se lanzaron desde el LHC del CERN. No es cierto, los protones que produjeron los neutrinos se lanzaron desde SPS hacia un blanco de grafito alineado con Gran Sasso. Los protones que se inyectan en el LHC son previamente acelerados en varias etapas, la etapa final utiliza un acelerador anterior llamado SPS (Super Proton Synchrotron). SPS es un túnel de 6,9 km de perímetro en el que los protones se aceleran hasta una energía de 450 GeV; este acelerador es famoso porque en él se descubrieron los bosones W y Z en 1984. Tras la inyección de protones en el LHC (cuyo túnel es de 27 km), SPS puede seguir funcionando produciendo protones para otros experimentos (hay muchísimos experimentos en el CERN que lo utilizan, además del LHC). OPERA es uno de ellos.

Finalmente, aunque ya todo el mundo la ha visto, no me resisto a incluir el vídeo de la noticia de Antena 3 junto con el desglose de los errores (todo esto ya está publicado en Amazings, por supuesto, pero lo incluyo aquí por si aún hay algún despistado que no se ha enterado).

Gracias a la transcripción de la noticia realizada por Arturo, paso a detallar los errores de la noticia.

Imágenes del túnel del LHC ilustran a la voz en off que dice “Un cable suelto da al traste con el experimento que cuestionaba la teoría de la relatividad de Einstein. El descubrimiento de los científicos que avanzaron que los neutrinos eran más rápidos que la luz pudo ser consecuencia de una chapuza.”

La colaboración OPERA no tiene nada que ver con el LHC y con su túnel. No utiliza el LHC para nada. Mezclar imágenes del LHC mientras se habla de OPERA es un grave error.

Con la fórmula E=mc^2, la periodista dice “Lo bautizaron como “la partícula de Dios” …

“Lo bautizaron” alude a que los científicos bautizaron así el bosón de Higgs. Os recuerdo que “partícula de Dios” fue el título de un libro de Lederman (Premio Nobel y director del SSC) en el que trataba de convencer a los congresistas de EEUU de que financiaran el SSC para buscar el Higgs; entonces el presidente era George Bush (padre) y ya se sabe que a los republicanos se les llena la boca con la palabra “Dios”. El Congreso de EE.UU. canceló el SSC en 1993.

…y afirmaron que podía viajar más rápido que la luz.

Nunca se ha dicho que el bosón de Higgs pueda viajar más rápido que la luz. El experimento OPERA afirmó que los neutrinos (muónicos) viajaban más rápido que la luz. No dijo nada respecto al Higgs.

El anuncio cuestionó hasta la teoría de la relatividad de Einstein, y abrió las puertas a una nueva interpretación del universo.

El anuncio cuestionó a Einstein no porque un taquión (partícula que viaja más rápido que la luz) viole la relatividad, sino porque las propiedades observadas para los neutrinos no tenían ningún sentido. Los neutrinos muónicos observados por OPERA no se comportan como predice la relatividad (por ejemplo, su masa (imaginaria) tendría que ser millones de veces mayor que la medida en experimentos cosmológicos).

Con la fórmula E=mc² como fondo, el periodista (director de informativos de Antena 3, por cierto) dice “Los científicos han pasado de la euforia a una sonora decepción. Han reconocido que todo fue un error de cálculo. La culpa fue de un cable suelto.

¿Euforia? Nunca ha habido euforia por el resultado de OPERA, más bien todo lo contrario. ¿Error de cálculo? No lo han reconocido. El conector de fibra óptica es una posible fuente de error que no había sido considerada. Todavía no se sabe si es “la fuente” del problema (no se sabrá hasta que se repitan las medidas en mayo).

Imágenes de archivo de Albert Einstein y voz en off con “Lo dijo Albert Einstein hace 107 años, nada puede viajar más rápido que la luz, ya que hacerlo significaría ir hacia el pasado, y así lo dejó plasmado en su teoría de la relatividad.

No es cierto que Einstein o la relatividad afirmen eso. Esta teoría clásica permite la existencia de taquiones (partículas que viajan más rápido que la luz), aunque violan ciertos fenómenos cuánticos que hacen inconcebible su existencia. En cuanto a los viajes al pasado, también es falso, ya que se pueden enviar señales hacia el pasado con ciertas restricciones, pero “viajar al pasado” suele entenderse como que un objeto sublumínico viaje al pasado y eso no es posible, ni siquiera si los neutrinos fueran superlumínicos.

Imagen del portavoz de OPERA, el físico Antonio Ereditato, hablando “Si encontramos que estas partículas naturales llamadas neutrinos pueden viajar más rápido que la luz, será algo que impactará a todo el mundo.

Esto es correcto.

Imagen del túnel del LHC y una voz en off dice “El experimento consistió en lanzar 15.000 rayos de neutrinos desde su laboratorio en Suiza hasta otro situado en Roma.

Explicar el experimento otra vez me da pereza. No se lanzaron 15000 rayos de neutrinos. Se lanzaron “infinidad” (el número exacto no lo recuerdo y no importa) de neutrinos desde el CERN hacia Gran Sasso; solo unos poquitos llegaron allí, la mayoría se dispersó y poquísimos fueron detectados (solo unas decenas de miles); de esos solo unos pocos se consideraron eventos válidos (que cumplan ciertas restricciones técnicas relacionadas con la medida de tiempos); estos últimos son los 15000 neutrinos detectados.

Imágenes del LHC el primer día que hubo colisiones y la voz en off dice “Los neutrinos aventajaban en 60 nanosegundos a las partículas de luz.

Mucha gente creerá que también se enviaron partículas de luz (fotones). Habría que decir que llegaron 60 ns antes de lo esperado si se movieran a la velocidad de la luz (como su masa es muy pequeño esta velocidad es una aproximación muy buena a su velocidad ligerísimamente más pequeña).

Científicos vitorean y se alegran de que las primeras colisiones en el LHC hayan sido todo un éxito (posiblemente en diciembre de 2009) y la voz en off “El anuncio desató la euforia de los científicos. Los resultados abrieron las puertas de nuevos sueños, …

Esto es completamente falso. No hubo euforia y no se abrió ninguna puerta.

Imágenes artísticas de un campo de Higgs alrededor de partículas con masa y la voz en off dice “…empezó a hablarse de la respuesta a los enigmas del universo.

¿Qué tienen que ver los neutrinos superlumínicos con los enigmas del universo y con el campo de Higgs? Supongo que por enigmas del universo la mayoría de la gente entiende enigmas cosmológicos y que mucha gente creerá ver en el campo de Higgs de las imágenes alguna configuración astrofísica o cosmológica.

Imágenes de Rolf Heuer (director general del CERN) que nos dice “En 2012 podremos responder a la definitiva pregunta de Shakespeare sobre ser o no ser.

Heuer está hablando del bosón de Higgs, si existirá o si no existirá, por eso alude al ser o no ser. Esto, sacado de contexto, puede significar cualquier cosa y en una noticia sobre neutrinos no tiene ningún sentido.

Imagen del comunicado de prensa del CERN en el que la colaboración OPERA explica los dos problemas que ha detectado y la voz en off dice “Pues va a ser que no. En este comunicado el Centro de Investigación Nuclear CERN de Ginebra ha reconocido hoy que todo fue un error…

El comunicado es de OPERA no del CERN, pero bueno. Dicho comunicado no reconoce que “todo fue un error” sino que se han detectado dos fuentes de error no consideradas con anterioridad (se explica en otras entradas de Amazings, la mía y la de Kanijo, así que no entraré en más detalles).

Imágenes del túnel del LHC y la voz en off dice “…debido a una mala conexión de un cable de fibra óptica que ha hecho inútiles todos sus experimentos. Al final, los 27 kilómetros de túneles, una compleja construcción de 1.700 millones de euros y 1.500 millones anuales de presupuesto para 2.000 científicos de 34 países no han podido superar esto… El cerebro de un genio, Albert Einstein.

Una barbaridad como la copa de un pino. ¿Qué tendrá que ver el LHC con OPERA? ¿Qué tendrá que ver el coste del LHC con el coste de OPERA? OPERA es financiada por el gobierno italiano y el japonés, con contribuciones sustanciales de Bélgica, Francia, Alemania y Suiza. En esta colaboración trabajan unos 160 investigadores de 30 instituciones de 11 países.

Imágenes de un cerebro con la voz en off dice “…el cerebro de un genio, Albert Einstein.

Y en cuanto al cerebro que aparece al final, un toque gore en la noticia, no es el de Einstein. Hay varios documentales sobre el cerebro de Einstein que muestra que no está tan bien conservado como el del vídeo. [De hecho está troceado como se comenta en Antonio, “Exhiben las muestras del cerebro de Einstein por primera vez,” Amazings.es, 23 Nov. 2011].

Y listo. Espero haber aclarado los errores de la noticia.

Un cable mal conectado es el responsable de que OPERA observara neutrinos superlumínicos

La noticia del día. Una mala conexión de fibra óptica entre una unidad de recepción de GPS y la tarjeta de entrada/salida de un ordenador es el culpable  de que los neutrinos parecieran superlumínicos en el experimento OPERA entre el CERN y Gran Sasso. El error se ha arreglado apretando a mano la conexión. ¡Madre mía! Los ríos de tinta que han corrido y tocando un conector los neutrinos vuelven a ser sublumínicos. ¡Qué error más tonto! El experimento que observó que los neutrinos muónicos llegaban 60 nanosegundos antes de tiempo (siendo más rápidos que la velocidad de la luz en el vacío) ha sufrido la ley de Murphy que afirma que lo que puede fallar, fallará. La mayoría de los físicos sabíamos que había un error y que tenía que ser un error sutil que solo los propios miembros de la colaboración OPERA podrían detectar. Nos lo ha contado Edwin Cartlidge, “BREAKING NEWS: Error Undoes Faster-Than-Light Neutrino Results,” Science Insider, 22 February 2012, que cita como fuente a físicos de la propia colaboración OPERA. No habrá confirmación oficial hasta que se ratifique de forma definitiva que este es el problema, pero cuando el río suena…

PS: James Gillies, portavoz del CERN, ha confirmado a The Associated Press que el problema con el sistema de GPS usado por OPERA para medir la velocidad de los neutrinos se conoce desde principios de mes (aunque no se ha desvelado hasta hoy). Fuente: “‘Faster than light’ measurement blamed on loose cable,” CBC News, Feb. 22, 2012.

PS 2: Alan Boyle, “Glitch found in faster-than-light setup,” Cosmic Log, 12 feb. 2012, afirma que mañana habrá un anuncio oficial por parte de la colaboración OPERA sobre el fallo; por lo que parecen ya tienen planificado para mayo repetir el experimento con pulsos cortos de neutrinos (como en octubre de 2011). Mañana os informaré de las buenas nuevas.

PS 3: Eugenie Samuel Reich, “Faster-than-light neutrino measurement has two possible errors,” Nature News, 22 Feb. 2012 [traducción al español de Kanijo], nos comenta la noticia incluyendo un anuncio oficial de la propia colaboración OPERA.

“The OPERA Collaboration, by continuing its campaign of verifications on the neutrino velocity measurement, has identified two issues that could significantly affect the reported result. The first one is linked to the oscillator used to produce the events time-stamps in between the GPS synchronizations. The second point is related to the connection of the optical fiber bringing the external GPS signal to the OPERA master clock.

These two issues can modify the neutrino time of flight in opposite directions. While continuing our investigations, in order to unambiguously quantify the effect on the observed result, the Collaboration is looking forward to performing a new measurement of the neutrino velocity as soon as a new bunched beam will be available in 2012. An extensive report on the above mentioned verifications and results will be shortly made available to the scientific committees and agencies.”

Por lo que parece, además del problema de la conexión con el cable de fibra óptica, desde OPERA se afirma que hay otro problema asociado a cómo se asigna el tiempo de llegada a cada neutrino; según OPERA ambos efectos son contrapuestos y se podrían compensar entre sí, manteniendo inalterado el resultado sobre los neutrinos superlumínicos; hasta que en mayo se repitan las medidas teniendo en cuenta correcciones para ambos efectos, desde OPERA se afirma que aún no se puede afirmar que se haya descubierto el error.Caren Hagner, miembro alemán de la colaboración OPERA que no firmó el artículo de OPERA de septiembre de 2011, pero que sí lo hizo con el de diciembre que se envió a una revista internacional, afirma que por ahora la colaboración OPERA no va a publicar ningún análisis cuantitativo de estos efectos y que habrá que esperar hasta mayo.

PS 4 (23 feb. 2012): Comunicado de prensa oficial de Rolf Heuer (CERN) al personal y miembros asociados:

“The OPERA collaboration has informed its funding agencies and host laboratories that it has identified two possible effects that could have an influence on its neutrino timing measurement. These both require further tests with a short pulsed beam. If confirmed, one would increase the size of the measured effect, the other would diminish it. The first possible effect concerns an oscillator used to provide the time stamps for GPS synchronizations. It could have led to an overestimate of the neutrino’s time of flight. The second concerns the optical fibre connector that brings the external GPS signal to the OPERA master clock, which may not have been functioning correctly when the measurements were taken. If this is the case, it could have led to an underestimate of the time of flight of the neutrinos. The potential extent of these two effects is being studied by the OPERA collaboration. New measurements with short pulsed beams are scheduled for May.”

PS 5 (23 feb. 2012): Gran artículo de MiGUi sobre el método científico utilizando esta noticia como guía conductora: “Y si al final solo era un cable,” 23 de febrero de 2012.

PS 6 (23 feb. 2012): Interesante reflexión de Seth Zenz, “New Information on “FTL Neutrinos,” USLHC, Quantum Diaries, 23 feb. 2012.

“The important thing to learn here, I think, is that the work is actually ongoing. The problems need further study, and their overall impact needs to be assessed. New measurements will be performed in May. What we’ve gotten is a status update whose timing was forced by the initial news article, not a definitive repudiation of the measurement.

Of course, we already knew with incredible confidence that the OPERA result is wrong. But we still need a better understanding of the experiment. Good scientific work can’t be dismissed because we think it must have a mistake somewhere.”

PS 7 (24 feb. 2012): Nuño Domínguez, “Un cable suelto relativiza al neutrino. El experimento que detectó partículas más veloces que la luz reconoce fallos. Una conexión llevaba años sin revisarse,” Público 24 feb. 2012. “Un equipo de físicos italianos detectó dos defectos en el aparato, según explicó este jueves a este diario Lucia Votano, directora del laboratorio Gran Sasso. (…) Una conexión de un cable de fibra óptica estaba mal ajustado. (…) Ese cable llevaba la señal exterior emitida por los satélites GPS hasta el reloj central de OPERA, que mide el tiempo con una precisión de milmillonésimas de segundo. El cable estaba “en perfecto estado”, pero no su “conexión”, apunta Votano. Si el cable hubiese estado desajustado durante el experimento, algo que aún no está claro, “el error hubiera hecho más corto el tiempo de vuelo del neutrino”, explica el CERN, es decir, le hubiera hecho más rápido. Votano no supo especificar cuándo fue la última vez que se revisó esa conexión, pero dijo que sucedió hace “varios años”. (…) El CERN informó de otro error en OPERA. En este caso se trata de un “oscilador” que se usa para sincronizar las medidas de los GPS. Este fallo habría aumentado el tiempo de vuelo del neutrino. “Aún se desconoce la magnitud de ambos errores”, explicó a este diario James Gillies, portavoz del CERN. Añadió que sólo hay una manera de salir de dudas: realizar nuevos experimentos, algo que está fijado para mayo pero que “podría adelantarse” si así lo decide el CERN. (…) La misma comunidad científica que recibió los resultados de septiembre con desbordante incredulidad defiende ahora a sus colegas de OPERA. “Actuaron como siempre hacen los científicos, con espíritu crítico; actuaron con profesionalidad y nos prometen nuevas mediciones para el mes de mayo”.”

Mi opinión sobre la relación entre los neutrinos superlumínicos de OPERA y el experimento IceCube

Algunos lectores me habéis pedido mi opinión en relación a los datos sobre los neutrinos superlumínicos del experimento IceCube, que son datos en contra de que sean superlumínicos; estas noticias, y muchas otras, hacen referencia al artículo técnico de Ramanath Cowsik, Shmuel Nussinov, Utpal Sarkar, “Superluminal Neutrinos at OPERA Confront Pion Decay Kinematics,” Phys. Rev. Lett. 107: 251801, 16 Dec. 2011 [gratis en ArXiv]. Lo primero es lo primero, estos tres investigadores no son miembros de la Colaboración IceCube y dicho artículo no es un artículo de dicha colaboración. Lo segundo, el análisis cinemático que presenta dicho artículo está basado en hipótesis “razonables” que podrían ser incorrectas. Veamos cuáles son dichas hipótesis y cuáles son sus consecuencias.

Un pión sublumínico que decae (o se desintegra) en un muón sublumínico y un neutrino muónico superlumínico puede violar la invarianza Lorentz o no. El experimento OPERA ha observado neutrinos superlumínicos que violan la invarianza Lorentz, ya que su dependencia E(p), entre su  energía y su momento lineal, no es la predicha por la teoría de la relatividad especial para taquiones. Cowsik y sus colegas cuantifican esta violación obteniendo una desigualdad válida para cualquier expresión general E(p), bajo las condiciones de que se cumple la conservación de la energía y el momento, la energía es positiva y la velocidad v=dE(p)/dp. Bajo estas condiciones “razonables” la violación de la invarianza Lorentz se cuantifica mediante un parámetro η que cumple que 0 ≤ η ≤ 1−(m/M)², donde m y M son las masas en reposo del muón y del pión, respectivamente; no hay violación para η=0 y ésta es máxima en el otro extremo.

La velocidad de los neutrinos relativa a la velocidad de la luz en el vacío, α=(v−c)/c, es una función del parámetro de violación de la invarianza Lorentz, es decir, α (η); esta relación es cinemática y se cumple para cualquier relación general E(p) bajo las hipótesis del artículo. Para los neutrinos observados en el experimento OPERA, la relación general predice α < 4 × 10-6, sin embargo, el resultado experimental es α < 2,5 × 10-5; por tanto, los autores concluyen que debe haber un error sistemático en el experimento OPERA. Por supuesto, se puede dar el caso de que las hipótesis de partida sean incorrectas. Los autores utilizan datos de IceCube y otros experimentos que detectan neutrinos de los rayos cósmicos para acotar el valor de α (η); el valor más restrictivo viene dado por IceCube que afirma que α < 10-12 para neutrinos muónicos, aunque para los neutrinos electrónicos observados gracias a la supernova SN 1987A se tiene que α < 10-20.

Los autores concluyen de su análisis cinemático “general” que los neutrinos muónicos de OPERA no pueden ser superlumínicos porque su predicción para el valor de  α (η) es un orden de magnitud menor que el observado. En mi opinión, afirmar que su conclusión deriva de IceCube es interpretar de forma sesgada el artículo técnico.

Por cierto, el artículo “Datos sobre los neutrinos superlumínicos experimento IceCube,” Teknociencia.com, está muy bien ilustrado con interesantes vídeos que recomiendo a todos.

Qué puede haber fallado en la medida de la velocidad de los neutrinos muónicos de OPERA

Me gustan los artículos divulgativos de Adrian Cho; el último en Science es sobre el experimento OPERA y sus neutrinos. No cuenta nada realmente nuevo, pero es una buena síntesis del estado actual de la cuestión. Si tienes acceso a esta revista te recomiendo la lectura de Adrian Cho, “Superluminal Neutrinos: Where Does the Time Go?,” Science 334: 1200-1201, 2 Dec. 2011. Para mí, Cho es todo un referente a seguir en divulgación científica. ¿Qué opina Cho que puede haber fallado en la medida de la velocidad de los neutrinos en el experimento OPERA?

¿Un efecto relativista no considerado? ¿La rotación de la Tierra? ¿Una medida errónea de la distancia? ¿Un problema de sincronización de los relojes? “No, los errores más obvios no deben ser el problema,” dice el físico Robert Plunkett del experimento MINOS del Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory), en Batavia, cerca de Chicago, Illinois, que midió la velocidad de los neutrinos en 2007 y observó que eran superlumínicos, aunque con menor precisión que OPERA. Según Plunkett “los físicos de OPERA son expertos en su trabajo y no han cometido errores tontos.” Sin embargo, la mayoría de los físicos cree(mos) que debe haber un error en la medida de la velocidad de los neutrinos obtenida por OPERA. Muchos sospechan del sistema de GPS (Global Positioning System) utilizado para sincronizar los dos relojes en el CERN y en Gran Sasso que miden el tiempo de vuelo de los neutrinos con una precisión de nanosegundos. De hecho, algunos expertos en GPS tienen dudas sobre si el equipo de OPERA dedicado a este asunto ha podido realizar una medida de tiempos tan precisa como afirman en su artículo. ¿Se descubrirá alguna vez el error? Quizás nunca (ya ha ocurrido otras veces); si un experimento posterior contradice el resultado de OPERA, nadie se preocupará de encontrar el error.

En principio, la medida de OPERA es muy sencilla, medir la distancia recorrida por los neutrinos y dividirlo entre el tiempo que ha durado su viaje. En la práctica, el experimento es muy delicado. Por ejemplo, para medir el momento de producción del neutrino y el momento de su detección se utiliza un sistema de sincronización de dos relojes atómicos basado en receptores GPS de alta calidad. Este sitema “estampa el tiempo” para los protones que se producen en el CERN y para cada neutrino detectado en Gran Sasso. Asignar estas “estampas temporales” es más complicado que leer la hora en un reloj. En el CERN, la señal del GPS llega a un receptor en la sala central de control y necesita propagarse durante 10.085 nanosegundos por una red de cables, sistemas electrónicos y ordenadores hasta llegar al lugar donde será asignada la “estampa temporal” (por ello estos 10.085 nanosegundos han de ser añadidos al momento de salida de los protones). Además, los datos de la lectura del momento de salida de los protones requieren un análisis por ordenador que tarda 580 nanosegundos y que también ha de ser restado a la “estampa temporal.” Además, se han de añadir muchas otras pequeñas correcciones (algunas sumadas y otras restadas). Todo el sistema ha sido calibrado con gran precisión, pero saber el momento de salida de los neutrinos con precisión no es tarea trivial. En Gran Sasso pasa algo similar.

La mayoría de los físicos cree que hay un error sistemático sutil oculto en el experimento OPERA que explica el resultado obtenido (mis dudas apuntan a la “estampa temporal” en Gran Sasso, que Cho decide no discutir en su artículo en Science). ¿Por qué dudamos? Hay muchas razones para dudar de que los neutrinos viajan a una velocidad mayor que la luz en el vacío. Quizás la más importante es que el 23 de febrero de 1987, los físicos japoneses del detector de partículas Super-Kamiokande detectaron un chorro de neutrinos que coincidió con un chorro de luz de una supernova a 180.000 años luz de distancia. Si los neutrinos viajasen a la velocidad medida por OPERA habrían llegado 4 días antes. Pero 4 días antes no se observó ninguno con la energía asociada a la supernova. Más aún, los físicos teóricos han predicho que los neutrinos de OPERA deben radiar energía, pero dicha radiación no ha sido observada ni en OPERA ni en ICARUS.

¿Los físicos de OPERA han medido bien la distancia que han recorrido los neutrinos? Los investigadores de OPERA dedicados a las medidas geodésicas afirman que han medido la distancia con un error de 20 cm, cuando el error tendría que ser de 18 metros para permitir que los neutrinos hubieran viajado a la velocidad de la luz.

¿Los físicos de OPERA han sincronizado bien los relojes en el CERN y en Gran Sasso? Para esta sincronización se han utilizado el sistema de GPS. Algunos expertos han indicado que si dicho sistema no es muy estable podría haber errores de hasta 100 nanosegundos en la sincronización. Estos expertos indican que OPERA debería haber recalibrado la sincronización de los relojes al menos una vez al mes durante la toma de datos. Sin embargo, los físicos de OPERA afirman que lo calibraron en mayo de 2008 y en julio de 2011 y no observaron ningún cambio (más allá de unos pocos nanosegundos en 3 años). Además, las fluctuaciones estadísticas en los GPS deberían conducir a variación aleatoria de la sincronización y es muy improbable que estas fluctuaciones sesgaran la medida en 60 ns.

¿Qué error pueden haber cometido los físicos de OPERA? Mucha gente está apuntando a un error (bug) en el software. Quizás un error tipográfico en un programa de ordenador que sesga el resultado de las medidas (como poner 28 ns donde habría que poner 82 ns). Este tipo de errores humanos son muy díficiles de descubrir y nunca se puede estar seguro al 100% de que no se hayan cometido. El problema de un error de este tipo es que solo los físicos de OPERA serán capaces de descubrirlo.

La solución de este asunto vendrá cuando el equipo de MINOS, en el Fermilab, mejore sus sistemas de medida y repita el experimento que realizaron en 2007 con una precisión comparable a la de OPERA. Sus neutrinos son algo menos energéticos, pero recorren una distancia similar, unos 735 kilómetros entre el Fermilab y los detectores en la mina de Sudán en Minnesota. Los investigadores de MINOS esperan ser capaces de publicar un primer resultado a principios del año 2012, aunque no será tan preciso como el de OPERA. Pero una medida con precisión comparable requerirá más tiempo, quizás un par de años.

En resumen, un buen resumen de Cho sobre el estado actual de la cuestión que he resumido aquí con unos breves párrafos.

Las dos óperas neutrínicas de OPERA, siguiendo a Matt Strassler

Me ha gustado como discute Matt Strassler, autor del blog Of Particular Significance, la diferencia que hay entre lo publicado por OPERA en septiembre (sea OPERA-1) y lo publicado en noviembre (sea OPERA-2). He de confesar que me encanta leer a Strassler, tiene un estilo a la hora de escribir que realmente me gusta, sobre todo cuando explica cosas difíciles sin opinar (sus opiniones me gustan menos y están sesgadas de forma sutil hacia la teoría de cuerdas). Aún así no puedo leer todo lo que escriben todos los blogueros que me gustan (ni todos los artículos técnicos que escriben; lo sé, he prometido leerlo, lo leeré, dame tiempo…). Por ello no había leído su entrada “OPERA: Comparing the Two Versions,” OPS 19 Nov. 2011, hasta que uno de mis lectores habituales, Planck, me la recomendó. Y yo he de recomendártela a tí también. Merece la pena. Permíteme un resumen de su entrada para ir abriendo boca (pero recuerda que lo “bueno” de Strassler es su estilo a la hora de escribir que en mi resumen se pierde completamente).

Los neutrinos producidos en el CERN (Ginebra) recorren unos 730 km de roca hasta llegar al laboratorio de Gran Sasso (Italia), donde son detectados si colisionan con algún átomo del detector. Estas colisiones son muy raras. Strassler estima que solo 1 de cada 1.000.000.000.000.000 neutrinos (uno en mil billones) de los producidos en el CERN son detectados por OPERA (este número es una aproximación de Strassler). En OPERA-2, entre el 22 de octubre y el 6 de noviembre, se han enviado desde el CERN a Gran Sasso unos 40.000.000.000.000.000 (40 mil billones de) neutrinos. Según Strassler son unos 100.000 pulsos cortos de unos 300.000.000.000 (300 mil millones de) neutrinos cada uno. Durante los 16 días que estado en funcionamiento del experimento OPERA-2 se han detectado 35 neutrinos; solo 20 cumplen con los estrictos requisitos de precisión que requiere la medida de su velocidad, por lo que 15 han sido descartados. Strassler destaca que en la mayoría de los pulsos de neutrinos enviados desde el CERN a OPERA no han sido detectado ningún neutrino.

El experimento OPERA-1 medió la velocidad de unos 15.000 neutrinos. ¿Por qué OPERA-1 necesitó tantos neutrinos? Porque su manera de medir la velocidad de los neutrinos es diferente y más complicada que la de OPERA-2. En el experimento OPERA-1 se enviaban pulsos largos de neutrinos con una duración de unos 10.000 nanosegundos pero ello no garantiza que algún neutrino sea detectado en cada pulso. Solo se han detectado 15.000 neutrinos en 15.000 pulsos largos. En la mayoría de dichos pulsos (tras recorrer en 2,4 milisegundos los 730 km de distancia) no se ha detectado nada, absolutamente nada. Los 15.000 neutrinos han sido detectados uno a uno durante los 3 años que ha durado el experimento OPERA-1. Los pocos neutrinos que son detectados son identificados como pertenecientes a un pulso largo, pero su velocidad individual es imposible de medir con una precisión de 60 ns porque la incertidumbre en su lugar de “nacimiento” en el CERN es de 10500 ns.

¿Cómo ha medido OPERA-1 la velocidad de los neutrinos con una precisión de 60 ns? El truco es considerar muchísimos neutrinos (más de 15.000) y estudiar la distribución estadística de sus tiempos de llegada, como ilustra la figura de arriba de M. Strassler (una versión simplifica de la figura original del artículo que ya he publicado en este blog antes). Un ajuste estadístico de esta distribución de neutrinos con la distribución de los protones medida en el CERN (los neutrinos en el CERN no pueden ser detectados) ha permitido determinar que los neutrinos llegan 60 ns antes de tiempo. El ajuste estadístico se basa en ciertos picos que aparecen dentro de la distribución de protones que se parecen a picos que también aparecen en la distribución de neutrinos. Esta medida ha generado cierta polémica pues se basa en la hipótesis de que estos picos no han cambiado durante el trayecto de los neutrinos entre el CERN y Gran Sasso.

En el experimento OPERA-2 se han utilizado pulsos cortos de solo 3 nanosegundos, mucho más cortos que los 60 ns de adelanto medidos, que se han separado unos 524 nanosegundos, mucho más que los 60 ns de adelanto. Con pulsos tan cortos y tan bien separados, cuando se detecta un neutrino se sabe perfectamente qué pulso corto lo generó en el CERN. Como ilustra la figura de Matt Strassler, OPERA-2 ha podido medir la velocidad individual de cada neutrino detectado. Estos neutrinos han llegado entre 40 ns y 90 ns antes de lo esperado, con una media de unos 62 ns. Este resultado está fuera de toda duda. Cada uno de los neutrinos ha llegado antes de tiempo con toda seguridad. Con el experimento OPERA-1 no se podía estar tan seguro, pero ahora la seguridad es absoluta.

El análisis estadístico de los 20 neutrinos detectados en Gran Sasso por OPERA-2 es mucho más fiable que el de OPERA-1, como muestra la figura de arriba de Matt Strassler. ¿Por qué no llegan todos los neutrinos con el mismo retraso? La razón es debida a la incertidumbre experimental en el momento de llegada. ¿Qué conclusiones podemos extraer de la comparación entre OPERA-1 y OPERA-2? Strassler nos las aclara de forma inmejorable.

PRIMERO. Los resultados de OPERA-2 no confirman que OPERA-1 haya medido correctamente la velocidad de los neutrinos. Todas las fuentes de error a la hora de medir las distancias y los tiempos en OPERA-1 siguen estando en las medidas de OPERA-2. Lo que ha confirmado OPERA-2 es que las posibles fuentes de error afectan a cada neutrino por separado y no están relacionadas con la forma de los pulsos de neutrinos que utilizó OPERA-1. La fuente más obvia de error en OPERA-1 ha sido descartada, pero podría haber muchas otras fuentes de error.

SEGUNDO. Que haya un cierto error en el momento de llegada de los neutrinos (de unos 25 ns por arriba y por abajo) no significa que los neutrinos se muevan con velocidades diferentes. El resultado de OPERA-2 es consistente con que todos los neutrinos se propagan a la misma velocidad. Sin embargo, OPERA-2 no demuestra que todos los neutrinos se hayan propagado a la misma velocidad, solo podemos afirmar que OPERA-2 no demuestra que los neutrinos no se propagan a la misma velocidad (os dejo la frase original con sus negritas “OPERA-2 doesn’t prove the neutrinos are all traveling at the same speed, only that OPERA-2′s result does not prove that the neutrinos are not traveling at the same speed”).

TERCERO. Por qué ha costado solo 2 semanas realizar el experimento OPERA-2 mucho más preciso que OPERA-1 que necesitó 3 años. Por qué no se diseñó desde el principio OPERA-2. La razón es sencilla, el objetivo científico de OPERA no era medir la velocidad de los neutrinos muónicos, sino estudiar la oscilación de los neutrinos muónicos en neutrinos tau. La medida de la velocidad era un experimento colateral, de menor importancia (pues de pensaba que sería difícil obtener un resultado tan preciso como el que se ha obtenido). Un experimento de cara a la galería que se convertido en el experimento estrella de la colaboración OPERA. El patito feo se ha convertido en un espléndido cisne blanco.

CUARTO. Por qué no se hizo el experimento OPERA-2 antes de realizar el anuncio de los resultados de OPERA-1 si solo se han necesitado dos semanas. La verdad es que la razón por la que se podido hacer este experimento en solo dos semanas ha sido por el gran revuelo mediático provocado por OPERA-1. Lo normal hubiera sido que este segundo experimento hubiera requerido una petición formal de OPERA al CERN que de ser tramitada por los cauces usuales hubiera requerido varios meses. La petición ha sido tramitada por la vía de urgencia y por eso, incluso para la propio sorpresa de los físicos de OPERA, se ha podido desarrollar OPERA-2 justo en unas pocas semanas (las últimas con protones en el LHC antes de iniciar las colisiones con iones pesados). Además, OPERA se ha aprovechado de unas pruebas que se hicieron para estudiar colisiones protón contra ión, que también han sido adelantadas con la excusa de apoyar a OPERA. Dos pájaros matados de un solo tiro. 

QUINTO. A partir de ahora qué podemos esperar de OPERA. En los próximos seis meses OPERA-2 podrá observar unos cientos de neutrinos mejorando la estadística de su experimento. Ello le permitirá estudiar con detalle la dependencia con la energía y con la velocidad de los neutrinos que se observan. Esta dependencia con la energía es la clave del futuro próximo de los neutrinos superlumínicos de OPERA. Los neutrinos observados en explosiones de supernovas tienen una energía entre 0,01 y 0,04 GeV, y su velocidad aparente es la velocidad de la luz. Los neutrinos de OPERA tienen energías 1000 veces mayores, entre 10 y 40 GeV, y su velocidad aparente es mayor que la velocidad de la luz. Los físicos teóricos necesitan saber cómo depende dicha velocidad con la energía. Si los neutrinos de OPERA no presentaran una dependencia inversa con la energía, todo apunta a que hay un error en el experimento. La figura de arriba muestra las dos posibilidades razonables.

Y SEXTO. Hay muchos detalles técnicos complicados en el experimento OPERA que deberán ser comprobados con sumo cuidado, en especial en el contexto del experimento OPERA-2. Hay mucho trabajo pendiente para los físicos de OPERA durante los próximos meses y seguiremos informando de todo lo que se vaya publicando. La verificación independiente del resultado de OPERA mediante MINOS (en EE.UU.) no se publicará hasta el verano próximo (y el error experimental será alto); una verficación fiable requerirá algo más de tiempo (entre uno y dos años). La verificación en T2K (en Japón) será aún más complicada y quizás no llegue a ser muy fiable en los próximos dos años. El experimento OPERA, cual conejito de Duracell, dará “cola” por muchos años.

Atención, pregunta: Si fueras revisor de JHEP, ¿aceptarías el artículo de OPERA sobre los neutrinos superlumínicos?

El 17 de noviembre la colaboración OPERA ha enviado su famoso artículo del 23 de septiembre (con ciertos cambios) a la revista internacional Journal of High Energy Physics (JHEP), una revista italiana de Springer con un índice de impacto de 6,05 (ISI JCR 2010), que la coloca en el cuarto puesto en la categoría de Física de Partículas y Campos del ISI WOS, por delante de Physical Review D (PRD) y Nuclear Physics B; puedes consultar el artículo en Inspire y en Arxiv. Dada la polémica alrededor de este artículo y del procedimiento experimental utilizado, si fueras revisor de dicho artículo, ¿lo aceptarías como está? ¿Exigirías que verificaran el protocolo experimental? La respuesta la sabremos dentro de unas semanas, ya que un artículo “tan importante” será aceptado o rechazado con rapidez. Más información en CERN News, “OPERA experiment reports anomaly in flight time of neutrinos from CERN to Gran Sasso,” UPDATE 18 November 2011, y en Eugenie Samuel Reich, “Neutrino experiment replicates faster-than-light finding. Latest data show the subatomic particles continue to break the speed limit,” Nature News, 18 Nov. 2011.

La cuestión parece baladí, pues muchos dirán que la revista aceptará el artículo sin dilación, porque dicho artículo será muy citado en los próximos meses, incluso años. El artículo es una ganga para cualquier editor. Pero recuerda, el nuevo artículo elimina un posible error sistemático en la primera medida, pero puede haber otros. Además, hay algunos defectos de forma en el artículo que todos los revisores que lo reciban y evaluén deberían sopesar. Permíteme que enumere algunos (quizás seas uno de los revisores), por si aún no los conoces.

1) En la primera versión del artículo se analizaron 16 111 neutrinos detectados en OPERA entre 2009 y 2011. Pero en la segunda versión solo se analizan 15 223. ¿Qué ha pasado con los otros 888 neutrinos detectados? ¿Por qué han sido eliminados del nuevo análisis? El nuevo artículo técnico no dice nada al respecto. Si yo fuera revisor exigiría que se incluyera un párrafo explicando por qué han sido eliminados y qué criterio ha sido utilizado para ello. Las figuras 11 y 12 de la primera versión y sus correspondientes 13 y 14 de la segunda no coinciden exactamente (las he superpuesto en un programa de dibujo y la diferencia en los datos es pequeña pero existe).

2) En la primera versión del artículo se afirma que los neutrinos llegaron 60,7 ± 6,9 (stat.) ns antes de lo esperado. Pero en la nueva versión se afirma que llegaron 57,8 ± 7,8 (stat.) ns; no hay ningún comentario explícito sobre el porqué de esta diferencia. Yo creo que es debida a que en el nuevo artículo se ha tenido en cuenta el efecto de la rotación de la Tierra (2,2 ns); pero todavía quedan 0,7 ns por explicar que no veo bien de dónde salen (podría ser debido a que se han eliminado 888 neutrinos del análisis). En mi opinión los revisores deberían exigir una explicación detallada.

3) La nueva figura del artículo (aquí en formato original) muestra que los neutrinos siguen una distribución estadística uniforme con una anchura de unos 50 ns, ¿por qué este valor? El artículo aclara que “the jitter of ± 25 ns [is] related to the tagging of the external GPS signal by the OPERA master clock.” El “reloj” que “marca” los tiempos tiene una resolución de 50 nanosegundos (o una frecuencia de 20 MHz). Este detalle, que puede parecer poco importante, fue omitido en la primera versión del artículo y explica el porqué agruparon sus datos (binning) en bloques de 50 ns (y por qué no pueden agruparlos en un intervalo más pequeño). En mi opinión los revisores deberían exigir que se discutiera en detalle este punto (quizás en un apéndice al artículo). ¿Por qué afirman que el error es menor de 10 ns si el “jitter” es de 25 ns?

De hecho, varios blogueros creen que en esos 20 MHz se “esconde” el error sistemático “sutil” del experimento. Por ejemplo, Ethan Siegel, “The New OPERA faster-than-light Neutrino Test: Results!,” Starts With a Bang!, Nov. 18, 2011; Sascha Vongehr, “OPERA Confirms Faster Than Light Neutrinos And Indicates Ultra Superluminal Small Initial Jumps,” Alpha Meme, Nov. 18th 2011; Tommaso Dorigo, “A Few Additional Technicalities On The Opera Measurement,” A Quantum Diaries Survivor, Nov. 18th 2011; y otros.

Más aún, Tommaso Dorigo se pregunta qué pasaría si hubiera un error de “un solo tick” en la cuenta de reloj de 50 MHz (por ejemplo, por culpa de un error en el software de procesado). En dicho caso la medida del tiempo de llegada podría ser 8 ± 10 ns (compatible con que los neutrinos viajan a la velocidad de la luz). Todo revisor debería exigir una copia de dicho software (sólo de la rutina relevante) así como un análisis detallado que garantice que este error no se ha cometido. Una aclaración al respecto en el artículo también debería ser exigida.

4) Utilizando pulsos largos de protones (o de neutrinos) se ha medido una diferencia de tiempos de 57,8 ± 7,8 (stat.) ns, pero utilizando pulsos cortos se ha obtenido un valor de 62,1 ± 3,7 ns. El artículo no discute en detalle el porqué con más neutrinos (15 223 en lugar de 20) se ha obenido un error estadístico más grande; obviamente la razón es que el análisis estadístico es diferente, pero si el resultado más fiable es este último, por qué no aparece en el resumen (abstract) del artículo. Además, en el artículo no se indica el error sistemático en la nueva medida utilizando pulsos cortos. ¿Por qué no? Los revisores deberían exigir un comentario al respecto y una estimación.

4) Como los experimentos (tanto en CERN como en Gran Sasso) son subterráneos, la sincronización mediante GPS requiere el uso de fibras ópticas muy bien calibradas que conecten la superficie de la Tierra con los laboratorios. En el CERN se utilizando unos 2 km de fibra óptica (en una configuración de doble fibra, una de ida y otra de vuelta) que están monitorizadas de forma continua; los efectos de la temperatura sobre estas fibras introducen un error de unos 0,4 ns en la medida de tiempos en el CERN. Sin embargo, en Gran Sasso se utiliza una fibra óptica doble con un total de 8,3 km; esta fibra no es monitorizada de forma continua. En julio de 2006 se midió que su error es de 1 ns; valor que se confirmó en abril de 2008; OPERA ha prometido volverlo a verificar en los próximos meses. Un revisor podría (yo diría incluso que debería) exigir que esta nueva verificación sea incluida en el artículo que se publique en la revista. Aunque haya que esperar un par de meses, esta verificación del buen estado de la fibra óptica doble en Gran Sasso es necesaria y debería ser discutida en un párrafo específico en el artículo.

De hecho, el centro de Italia, donde se encuentra Gran Sasso, es una zona de alto riesgo sísmico, mientras que Ginebra es de bajo riesgo, lo que puede someter a los 8 km de fibra óptica en Gran Sasso a tensiones mecánicas mayores que las que sufren los 2 km de fibra en el CERN. Aunque mucha gente opina que esta fuente de error sistemático es despreciable y la verificación que realizará OPERA será todo un éxito, en mi opinión, la publicación del artículo en una revista internacional (lo que implica un retraso de varios meses) debería incluir una confirmación/verificación del buen estado de estas fibras ópticas.

Hay más cosas, pero por ahora lo dejo aquí.

Noticia CPAN: “El experimento OPERA confirma la medida de neutrinos viajando más rápido que la luz”

“Nuevas pruebas realizadas en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso por la colaboración OPERA, con un haz de neutrinos especial establecido por el CERN, confirman los resultados anteriores sobre la medición de la velocidad de los neutrinos. Las nuevas pruebas parecen excluir una parte de potenciales efectos sistemáticos que podrían haber afectado a la medida original. El 17 de noviembre la colaboración OPERA ha presentado el documento sobre la medición de la velocidad del neutrino para su publicación en Journal of High Energy Physics, y en paralelo en el repositorio digital ArXiv. El documento está en línea hoy 18 de noviembre. El tiempo transcurrido desde el seminario público en el CERN del 23 de septiembre, donde la colaboración hizo públicos sus primeros resultados sobre la velocidad del neutrino, fue utilizado para comprobar los principales aspectos del análisis de datos y, sobre todo, para realizar nuevas pruebas con el haz de neutrinos establecido especialmente por el CERN.”

Sigue leyendo la noticia en la web de CPAN.

El artículo de septiembre en ArXiv ha sido “mejorado” añadiendo la nuevo medida. Los que quieran consultar el artículo es The OPERA Collaboration, “Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam,” ArXiv, Submitted on 22 Sep 2011 (v1), last revised 17 Nov 2011 (this version, v2).

Otras fuentes en inglés que recomiendo leer (incluyo pequeños extractos):

Eugenie Samuel Reich, “Neutrino experiment affirms faster-than-light claim,” Nature News Blog,November 18, 2011. “It is a remarkable confirmation of a stunning result; but most physicists remain skeptical. “It’s slightly better than the previous result,” says OPERA’s physics coordinator Dario Autiero. He adds that Caren Hagner of the University of Hamburg in Germany has signed the new paper. “We gained much more confidence,” Hagner says.”

INFN press office, “New Tests Confirm The Results Of OPERA On The Neutrino Velocity, But It Is Not Yet The Final Confirmation,” Interactions NewsWire, 18 November 2011. “New tests conducted at the Gran Sasso National Laboratory of INFN by the OPERA Collaboration, with a specially set up neutrino beam from CERN, confirm so far the previous results on the measurement of the neutrino velocity. The new tests seem to exclude part of potential systematic effects that could have affected the original measurement. “A measurement so delicate and carrying a profound implication on physics requires an extraordinary level of scrutiny – said Fernando Ferroni, president of Italian Institute for Nuclear Physics (INFN)”. “One of the eventual systematic errors is now out of the way, but the search is not over. They are more checks of systematics currently under discussion, one of them could be a synchronisation of the time reference at CERN and Gran Sasso independently from the GPS, using possibly a fiber” said Jacques Martino, Director of National Institute of Nuclear and Particle Physics of French CNRS.”

Lisa Grossman, “More data shows neutrinos still faster than light,” NewScientist, 18 November 2011. Más información en “Neutrinos: Complete guide to the ghostly particle.” “The measurement seems robust,” says Luca Stanco of the National Institute of Nuclear Physics in Italy. “We have received many criticisms, and most of them have been washed out.” Stanco was one of 15 team members who did not sign the original preprint of the paper because they thought the results were too preliminary. The team also re-checked their statistical analysis, confirming that the error on their measurements was indeed 10 nanoseconds. What they found was “absolutely compatible” with the original announcement, Stanco says. That was enough for Stanco to sign his name to the paper. The team is still running other tests, including measuring the length of a fibre-optic cable that carries information from the underground lab at Gran Sasso to a data-collection centre on the surface. The team is also trying to do the same test using another detector at the lab called RPC. That test will take another several months.”

Neutrinos superlumínicos en las III jornadas CPAN

Me dijeron que no hay ningún español en la colaboración OPERA, por lo que en las III Jornadas CPAN, celebradas en Barcelona, no hubo ninguna charla específica sobre este experimento. Por fortuna, Federico Sánchez en su charla sobre el experimento japonés T2K incluyó una transparencia al respecto. El comunicado oficial de T2K afirma que no pueden realizar una verificación (o refutación) definitiva del resultado de OPERA sobre la velocidad de los neutrinos. Hay tres  problemas: la distancia entre Tokai y Kamioka es de solo 300 km (en lugar de los 730 km entre el CERN y Gran Sasso); la energía de sus neutrinos es menor de 10 GeV (de hecho de unos 0,6 GeV), en lugar de los de OPERA que tienen energías mayores de 20 GeV; y además la precisión de la medida mediante GPS de los instantes de llegada de los neutrinos en T2K se estima en unos 100 ns (cuando en OPERA es de unos dos nanosegundos). Por lo tanto no se puede esperar que ni a corto ni a medio plazo T2K logre verificar o refutar a OPERA. La charla de Federico Sánchez (IFAE) se titula “Measuring theta13 with T2K and Double Chooz,” III Jornadas CPAN, 4 nov. 2011 (slides). Más sobre T2K en la charla de Claudio Giganti (IFAE), “Recent results from T2K,” III Jornadas CPAN, 2 nov. 2011 (slides).

A título privado comenté la noticia de los neutrinos superlumínicos con bastante gente y observé que la mayoría no le da la menor importancia, como si asumieran que hay un error sistemático en el experimento y que no merece la pena preocuparse más por dicho resultado. Cada uno trabaja al 200% en sus propios problemas y no tiene tiempo de preocuparse por noticias mediatizadas por otras colaboraciones. La verdad, me sorprendió bastante este tipo de respuesta.

OPERA está repitiendo el experimento de los neutrinos superlumínicos por un nuevo método que podría ser más fiable

El gran problema de la medida de la velocidad de los neutrinos mediante el experimento OPERA es que se utilizaron pulsos de neutrinos muy largos, de unos 10000 ns (nanosegundos), para medir un efecto muy pequeño, de unos 60 ns, con un error menor de 5 ns, por lo que la forma de los pulsos influye mucho en el resultado. Entre el 21 de octubre y el 6 de noviembre de 2011 se está repitiendo el experimento utilizando pulsos muy cortos, entre 1 y 2 ns, y solo se detectarán unos pocos neutrinos (entre 10 y 15), pero se podrá confirmar o refutar si son superlumínicos, ya que la forma de los trenes de neutrinos no influye cuando se utilizan pulsos tan cortos. ¿Por qué no se han utilizado pulsos cortos hasta ahora? Porque el objetivo fundamental de OPERA es estudiar la oscilación de los neutrinos muónicos en neutrinos tau y para dicho estudio no se pueden utilizar pulsos tan cortos. Los resultados del nuevo estudio serán publicados a finales de noviembre. En mi opinión, sabremos muy pronto la solución del problema de los neutrinos superlumínicos de OPERA (el nuevo experimento refutará el resultado anterior). Ya os lo he dicho en varias ocasiones, yo creo que la solución del problema de los neutrinos superlumínicos vendrá desde dentro de la colaboración OPERA, mucho antes de que MINOS (EEUU) o T2K (Japón) puedan repetir el experimento y obtener sus propias conclusiones al respecto. Nos lo ha contado mucha gente, entre ellos Lisa Grossman, “Faster-than-light neutrino result to get extra checks,” NewScientist, 25 October 2011;  Matt Strassler, “A Few Tidbits from Nagoya, including OPERA news,” Of Particular Significance, October 26, 2011; Paul Rincon, “Faster-than-light neutrino experiment to be run again,” BBC News, 28 October 2011; y muchos otros. 

Por cierto, las figuras que ilustran esta entrada están extraídas del artículo de Hervé Bergeron, “About Statistical Questions Involved in the Data Analysis of the OPERA Experiment,” ArXiv, 24 Oct 2011. El artículo presenta un análisis estadístico del posible error en la determinación de los frentes de los paquetes de neutrinos y afirma que dicho error es mayor de 60 ns, por lo que la interpretación de que los neutrinos son superlumínicos no es consecuencia de los datos experimentales medidos por los físicos del experimento OPERA (que afirman que el error es menor de 5 ns). Ya sabéis que a mí esta es la explicación es la que más me gusta (y que me parece la más razonable) para el resultado observado por OPERA. Repito lo que ya he dicho varias veces en este blog, como los datos usados para calcular el frente de los trenes de neutrinos tienen un error de 50 ns, no me parece razonable medir una diferencia entre dos frentes (el de protones y el de neutrinos) de solo 60 ns.

Para los más despistados y que aún sigan leyendo esta entrada, os recuerdo como iba el experimento OPERA. El acelerador de protones SPS se utiliza como paso previo para acelerar los protones que se inyectan en el túnel del LHC en el CERN. Este acelerador está diseñado para poder enviar un chorro de protones dirigido hacia un experimento llamado CNGS (CERN to Gran Sasso). El paquete de protones incide sobre un blanco de grafito donde se producen mesones de alta energía (piones y kaones). Estos mesones se emiten en múltiples direcciones pero algunos se dirigen hacia hacia un túnel vacío de 1 km de longitud donde decaen en partículas de menor energía emitiendo neutrinos muónicos. Algunos de estos neutrinos muónicos se dirigen hacia Gran Sasso, cerca de Roma,  donde unos poquitos son detectados por el experimento OPERA. Los protones del paquete emitido por SPS son contados antes de chocar contra el blanco de grafito y se determina el momento en que han sido emitidos (éste es el instante de salida de los neutrinos con un error de menos de 1 ns). Los piones y kaones son contados tras salir del túnel vacío y detenidos en unas paredes especiales para que no produzcan nuevos neutrinos en dirección hacia Gran Sasso. Tras recorrer unos 730 km (desde SPS son unos 732 km) los neutrinos llegan a Gran Sasso (cerca de Roma) donde se detecta un paquete de neutrinos muónicos de alta energía y se determina el momento en el que han llegado (con un error de unos 2 ns) ajustando su distribución con la de los protones medidos en el CERN. El paquete mide unos 10000 nanosegundos y se ha observado que los frentes delantero y trasero están adelantados unos 60 nanosegundos respecto al momento esperado si se propagaran a la velocidad de la luz. Como resultado parece que los neutrinos han viajado más rápido que la luz. En mi opinión (y en la de muchos otros físicos, por eso OPERA va a repetir el experimento con pulsos más cortos), el error mayor en este experimento se encuentra en la medida del instante de llegada de ambos frentes del tren de neutrinos, el delantero y el trasero, ya que su forma (ver las figuras que abren esta entrada) ha de ser ajustada con la forma del tren original de protones y como hay muchísimos neutrinos que no son detectados se produce un cambio importante en la forma de dichos frentes.

El ajuste realizado por OPERA ha tratado de evitar el efecto del cambio de forma de los frentes utilizando un procedimiento ingenioso. Ciertas características del paquete de protones se han observado también en el paquete de neutrinos, lo que permite ajustar dichas características entre ambos paquetes, sin necesidad de ajustar los frentes. Según los físicos de OPERA este ajuste se puede realizar con un error de pocos nanosegundos, con lo que la medida del adelanto de los neutrinos en 60 nanosegundos es muy fiable (hasta 6 sigmas de confianza estadística). Sin embargo, se han levantado muchas dudas sobre el procedimiento (algunos físicos opinan que el resultado tiene una fiablidad estadística de como mucho 4 sigmas). Quizás ajustar estas características no sea estadísticamente fiable ya que no hay un buen modelo teórico para explicar dichas características (una crítica que también he leído en varios foros) y utilizando solamente dos extracciones de datos es posible que la coincidencia de las características sea accidental (o que algunas sean accidentales, pero no sabemos cuáles). 

En resumen, el problema de medir los frentes del tren de neutrinos utilizando como referencia los del tren de protones requiere lidiar con un gran problema, los frentes pueden haber cambiado de forma durante el trayecto de los neutrinos. La mejor solución es utilizar trenes de protones muy cortos (aunque entonces se medirán muy pocos neutrinos en Gran Sasso) y eso es lo que se está estudiando ahora mismo en la colaboración OPERA. A finales de noviembre sabremos qué resultados han obtenido. Ya os mantendré informados en este blog en cuanto haya nuevas noticias.

Francis en La Rosa de los Vientos hablando sobre neutrinos y física de partículas

Los neutrinos

Conexión con Francis Román [Villatoro] para hablar de neutrinos, profesor de la Universidad de Málaga, licenciado en física y doctor en matemáticas.

¡Que lo disfrutéis! Por cierto, se escucha mi voz regular, pero me llamaron por teléfono y no estoy acostumbrado a hablar por la radio a través del teléfono.