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.

17 Comentarios

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planck

Increíble la velocidad de publicación (Francis superlumínico) y la calidad del resumen, ¿de verdad no te lo habias leido? Eso se llama optimización del poco tiempo disponible.
Por cierto, ¿Sabes si OPERA-2 sigue tomando datos? Si es así ¿Sabes si parará durante el parón invernal del LHC?
Lo pregunto por que creo que Strassler da a entender que OPERA-2 terminó su actividad y su deseo es que se repita el experimento durante más tiempo.

emulenewsemulenews

Planck, creo que sí, que como dice Strassler, OPERA ha dejado de tomar datos, pero que volverá a tomarlos en febrero o marzo tras la parada invernal del LHC. Hay varios asuntos técnicos de calibración que (se supone que) están en curso.

Helena GómezHelena Gómez

Pero el neutrino cuando aparece. Hasta ahora se decía que se producia al convertirse un bosón en un par electrón positrón. ¿No será que el neutrino se crea cuando se emite un bosón por un neutrón, pongamos por caso?

emulenewsemulenews

Helena, no entiendo qué dices; parece como si no supieras nada de neutrinos… En el CNGS (en Ginebra) un protón de 450 GeV choca contra un átomo de carbono y produce mesones (piones y kaones); en un túnel vacío de 1 km que apunta a Gran Sasso los piones y los kaones se desintegran en muones y neutrinos muónicos. Algunos de estos neutrinos muónicos se dirigen a Gran Sasso (Italia) y son detectados allí.

En la desintegración beta de un neutrón, éste se transforma en protón y se emiten un electrón y un antineutrino electrónico. Puedes consultar la wikipedia si tienes dudas sobre estos temas (bien conocidos desde 1933).

Juan F. González Hernández

Cuidado con decir que “detectamos neutrinos”. La detección de neutrinos es muy sutil. Sólo interactúan débilmente con la materia. De hecho, se infiere el tipo de neutrino “detectado” por los subproductos de los diversos modos de desintegración y su efecto ( no del neutrino, sino de partículas generalmente cargadas) en los detectores. Y es algo que también es peliagudo. Lograr que tu detector produzca señales de modos de desintegración en los que debe haber neutrinos, en forma de energía perdida transversa. El neutrino no se detecta directamente en ningún detector. Eso es algo que también conviene decirlo.

angelrls, El Lobo Rayado

Gracias por tu comentario en mi blog y por la gran aclaración. En serio, tenía entendido que los periodistas habían simplemente visto como nuevo el artículo científico publicado originariamente el 22 de septiembre y actualizado el 17 de noviembre en arXiv, no había leído nada de que se estaban realizando nuevos experimentos (OPERA-2). Aprovecho para felicitarte de nuevo por tu labor divulgativa, es realmente fuera de serie. Saludos.

Aitor

Francis, tal vez sea una pregunta tonta, y se que es hasta trivial y que todo esto esta tenido en cuanta y no es nada nuevo, pero tengo la duda: ¿Cómo afecta el principio de incertidumbre de Heisenberg a estas mediciones? Me explico: cuando se miden los pulsos de protones en el CERN con esa medición estamos afectando al pulso mismo aumentando la incertidumbre de lo que podríamos medir en el después (Y según como midamos afectar totalmente su energía o su trayectoria, por no hablar de la incertidumbre temporal que aquí debe ser un factor a tener en cuenta). Tras todas las transformaciones (colisión con carbono, decaimiento en mesones y eso) llega a Gran Sasso donde se vuelve a medir el pulso (ahora de neutrinos y como aclaran de manera indirecta). ¿No afecta la primera medición en el CERN según el principio de incertidumbre a lo que se espera medir en Gran Sasso? Se que esto debe ser trivial pero me gustaría entender como afecta ese asunto.
Saludos.

JavierJavier

Aitor, recuerda:

1 electronvoltio, es la energía que gana un electrón al subirle un voltio en un campo de potencial.

Es decir, es 1.6e-19 Julios.

El principio de indeterminación, respecto a una partícula, se puede poner como:

Delta(Energía medida) · Delta(Tiempo de la medición)….. >=…..[h / (4·pi)] …….[ec.1]

Luego una partícula con una energía de 10 Gev (Los neutrinos menos energéticos) tiene una indeterminación mínima (Por Heissenberg) en el tiempo de medida de esa energía de:

……Error en Tiempo de la medición…….>=…….[h / (4·pi)]/(40 e+9 · 1.6e-19 Julios)…..[ec.2]

Es decir:

…….Error en Tiempo de la medición…….>=……….8.244*10^(-27) segundos.

Muchísimo menor que el error manejado, unos 10 nanosegundos (10·10^-9 segundos).

El limite dado por Heissemberg es muy inferior al real del experimento.

Conclusión, no hay problema en ello.

No he hecho el cálculo desde el punto de vista del error minimo en la posicion, pero igualmente, a mayor energia, mayor momentum, y menor error en la posicion.

Este error fundamental (Que existe, tienes razón), debe salir igualmente muchísimo menor que el manejado , unos 20 centímetros.

Se que no es un único proceso con una única partícula, pero las energías de este orden, dan esos ordenes de mínimos errores en tiempo y posición.

Despreciables frente a los limites tecnológicos del experimento.

Saludos.

J.

(Me gustaría escribir mejor las ecuaciones, pero wordpress me come los espacios, por eso pongo los puntitos ………..).

JavierJavier

Disculpa el error Aitor.

Con 10 Gev de energía, la ecuación 2 debe ser:

……Error en Tiempo de la medición…….>=…….[h / (4·pi)]/(10 e+9 · 1.6e-19 Julios)…..[ec.2]

Es decir:

…….Error en Tiempo de la medición…….>=……….3.3 * 10^(-26) segundos.

Se me a colado el 40 en vez del 10.

De todos modos, despreciable frente al error tecnológico, 10 * 10^(-9) seg. (10 nanosegundos).

Soy un despistado……….

JavierJavier

Francisco:
……………………………………………
“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 …..”

“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 relación Energia-Velocidad es obviamente el primer objetivo de análisis.

Pero el que la energía dependa de la velocidad, en uno u otro sentido, procede de la relatividad.

Hasta la vieja ecuación de la energía cinética (1/2·m·v^2), no es sino una aproximación para ‘v<<<c', de la energía relativista (….Energia = m(v)·c^2…..=…..[Mo/sqrt(1-(v/c)^2)] · c^2…).

Por eso apuntas que si se vé experimentalmente que no depende de la energía, es 'casi seguro' un error.

Yo también lo diría (Es muy lógico), pero no lo aseguraría.

No me gusta hablar por hablar, y este comentario mio es eso, lo siento, pero hay un punto que deberíamos ir considerando.

Puede que haya energías asociadas al movimiento que, simplemente, no tengan nada que ver con la velocidad.

Cierto, hasta ahora no las conocemos, pero tampoco preveíamos esto.

Espero que esta gente del CERN pueda investigar experimentalmente todo lo posible.

Toda la información experimental posible es clave antes de ponerse a hablar de teorías.

JavierJavier

Tom, yo también aprecio cierto ‘rencor’ contra los datos.

Pero yo seria el primero que buscaría y rebuscaría posibles errores.

Eso si, no perdería un segundo en teorizar sobre ‘la imposibilidad teórica’ de lo observado.

Justo lo que han hecho Cohen y Glashow aduciendo el argumento de que si hubieran sido mas rápidos que la luz, ‘deberían haber emitido radiación’ por procesos similares a Cherenkow, y llegarían al final con menos energía.

‘No se aprecia esa disminución de energía, LUEGO no ha habido velocidad superluminica…’.

Bueno, no soy ni seré jamas ni premio Nobel, ni muchísimo menos.

Pero me parece que este ‘argumento’ es ,,,,,,,una estupenda ocasión para que ambos (Cohen y Glashow ) se hubieran callado.

Mucho se podría hablar , pero no voy a perder, ni hacer perder, mas tiempo.

Francisco, deberías dejar el tema, dejar que pase el tiempo, y vengan mas datos.

Saludos.

Juan F. González Hernández

Los neutrinos se inventaron precisamente para explicar el espectro continuo de la desintegración beta, para salvar el principio de conservación de la energía. Las teorías se hacen generalizando a sus predecesoras. Decir que no se conserva la energía, bueno…Es algo sutil en relatividad. Se conserva el cuadrimomento, no la energía ni la masa por separado. Y el principio de conservación de la energía en dimensiones extra desde el punto de vista de un observador cuadridimensional no existe ( dependiendo de si ésta es de género espacio o de género tiempo). Lo que se conserva es el cuadrimomento ( una de cuyas componentes es lo que llamamos energía). Cuidado con cómo entiendes la ley de conservación de la energía. Te pondré un ejemplo. Era un quebradero de cabeza para los Químicos de finales de siglo XIX la existencia de la radioactividad, en la que un elemento químico perdía masa ( violando la ley de Lavoisier). La relatividad especial también solucionó eso. Te puedo garantizar, Tom, que en la oscilación de los neutrinos se conserva el cuadrimomento.

LegoLego

Tengo varias dudas:

1. Cierto es que postOPERA-1 y preOPERA-2, hubo a petición de Autiero et al. un nuevo análisis de Physikalisch-Technische Bundesanstalt sobre el margen de error, o mejor dicho, sobre la exactitud de los relojes de los satélites GPS utilizados en ambos experimentos. Lo que no entiendo es cómo dicho diagnóstico resuelve la “inquietud” manifestada por Ronald A.J. van Elburg en su documento:

http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/....2685v3.pdf

2. En ese mismo tenor, no entiendo por qué en los documentos de ambos experimentos siguen manejando prácticamente el mismo margen de error de 10 ns cuando Autiero ha reconocido, y no en dichos escritos, que ese margen puede ser hasta de 50 ns, cuestión de la que estaba ya enterado antes de la publicación de los resultados del segundo experimento como documento de arXiv.

3. ¿Es ‘normal’ que en un experimento en el que participan más de 160 científicos se deje a uno solo el cálculo de los márgenes de error y que ellos sean verificados por muy pocos -del mismo equipo- y eso a posteriori?

En este punto y en el anterior no me molesto en citar fuentes toda vez que ambas circunstancias se han mencionado una y otra vez en medios diversos y hasta ahora ni Autiero ni sus co-firmantes los han desmentido.

4. ¿Qué es lo más razonable? ¿Confiar en los sesenta y tantos científicos de ICARUS + Cohen y Glashow que nos hablan de la improbabilidad de que los neutrinos de Autiero et al. sean de velocidad superlumínica o confiar en que lo improbable es lo más probable? Que conste que hablo ambigua y deliberadamente respecto a lo que se puede probar y a lo que cabe dentro de las probabilidades como cálculo.

5. Alguien (HerrK) en otro lado decía:

“Hasta no disponer de esa teoría cualquier neutrino superlumínico solo puede ser calificado –incluso suponiendo que se hubieran resuelto favorablemente todas las dudas sobre el procedimiento de medición– como una anomalía o una paradoja.”

También luego de OPERA-1, los físicos teóricos del CERN, llevaron a cabo un taller en el que también participaron físicos experimentales, entre ellos participantes del experimento mencionado. A la conclusión que llegaron los primeros es que no hay un modelo teórico que pueda acomodar (sustentar -diría yo) la medición:

“We have reviewed a large part of the articles published in arXiv after OPERA made its result public,” says Ignatios Antoniadis, Head of CERN’s theory group. “After several discussions and a rich exchange of views, the participants in the workshop concluded that – currently – there is no consistent theoretical model that can accommodate the measurement.”

http://cdsweb.cern.ch/journal/CERNBu...92338?ln=en

6. ¿Ha resuelto Francis alguna de las interrogantes que se planteó cuando escribió el post sobre la tarea del revisor (de JHEP) de la publicación formal de los resultados de los experimentos de OPERA?

http://francis.naukas.com/2011/11/26...rluminicos/

7. ¿Sigue suponiendo Francis que no se ha demostrado todavía de manera fehaciente la existencia de neutrinos superlumínicos o ha cambiado de parecer?

Gracias por su paciencia y tolerancia. Que conste que agradeceré más las respuestas. ¿Saben? La ignorancia me despierta más curiosidad por saber de los entresijos de este asunto, aunque como pueden ver mis dudas son simples, las de un lego.

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