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.


9 Comentarios

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Stan Marsh (@RTFM_)

Interesante artículo Francis.
Sólo quisiera agregar que el paper de Cowsik, Nussinov, y Sarkar, está basado en un modelo muy particular de la violación de la invariancia de Lorentz. Especificamente, al igual que el paper de Cohen & Glashow, ellos sólo consideran un término (por qué uno? por simplicidad probablemente) que es de dimensión cuatro (por qué de dimensión cuatro? por qué no cinco? ocho? nueve?) y que además es isotrópico (por qué? tampoco lo indican).

No critico el análisis, pero sería bueno (honesto?) que los autores indicaran cuáles han sido los límites y casos particulares que han asumido en sus cálculos, de otra manera el resultado final parece ser general, sin embargo es sólo válido en un rango muy particular de suposiciones. Como muy bien indicas, este resultado no es general, es “general”.

Dado que las rotaciones componen la mitad del grupo de Lorentz, es de esperar (es probable al menos) que violaciones de la simetría de Lorentz (de existir) produzcan efectos que revelen pérdida de invariancia ante rotaciones. Estudios teóricos de este tipo son posibles (el primer paper que escribí se trata justamente de esto) y a la fecha han sido utilizados por los experimentos LSND, MINOS, IceCube y MiniBooNE para estudiar diferentes maneras en la simetría de Lorentz puede violarse, y no casos tan particulares como los mostrados por este par de papers en PRL.

planck

El tema de las violaciones de las simetrías fundamentales de la física es un tema muy peliagudo. La simetría está en el corazón de la física ,de hecho, ésta se puede considerar como uno de los principios más fundamentales de la naturaleza hasta el punto de que la tendencia es a explicar todas las fuerzas y leyes fundamentales a partir de solamente (casi) la simetría y la teoría de grupos. Es cierto que hay que estudiar todas las posibilidades, sin embargo, la simetría Lorentz parece ser una de las simetrías fundamentales de la física, una violación de esta simetría produciría un universo totalmente distinto: si se viola la simetría rotacional no se conservaría el momento angular (algo impensable) la violación de la temporal produciría que no se conservase la energía (igual de absurdo) y la violación de la simetría Lorentz haría que hubiera marcos de referencia privilegiados y que las leyes fundamentales de la física fuesen distintas para cada observador dependiendo de su movimiento (algo también bastante absurdo). Por esto y por los miles de experimentos de todo tipo que lo confirman practicamente ningún físico piensa que una violación real de la simetría Lorentz es posible en nuestro universo.

Stan Marsh (@RTFM_)

Hola planck,
como dices el tema de las violaciones de las simetrías fundamentales es muy sutil porque es muy fácil equivocarse con las interpretaciones.
También creo que las simetrías son fácilmente sobrevaloradas. Así hemos aprendido con simetrías como C, T, P, CP, etc. Es cierto que la simetría de Lorentz es más fundamental que las discretas mencionadas, pero de todas formas si no nos atrevemos a explorar situaciones exóticas en la naturaleza no avanzaremos. Hace unas décadas violación CP era sólo una aberración teórica pero bastó que se plantearan técnicas para buscar sus posibles efectos en experimentos y se descubrió. Mi opinión es que hay una tendencia a buscar belleza en simetría, un argumento casi filosófico a la hora de construir teorías. No estoy en contra de eso, después de todo simetrías como la invariancia de gauge nos han iluminado el camino durante el último siglo, sin embargo el cómo veamos o apreciemos conceptos como belleza o simplicidad no tienen por qué ser argumentos que le importarlen a la naturaleza y a sus leyes.

No veo por qué la no conservación de momento angular sea tan impensable, después de todo ocurriría a nivel microscópico.
La conservación de la energía no se ve afectada si se viola la simetría de Lorentz ya que la conservación de la energía es una consecuencia de invariancia ante traslaciones temporales, transformaciones que no pertenecen al grupo de Lorentz sino que al grupo de Poincaré (lo mismo ocurre con la conservación del momentum lineal).
Finalmente la idea de que “violaciones de la simetría de Lorentz harían que las leyes de la física sean diferentes para distintos observadores” es comúnmente planteado como una patología (cada vez que voy a una conferencia alguien me lo pregunta), sin embargo eso ocurre simplemente por una interpretación inapropiada de lo que la simetría de Lorentz realmente significa. Las transformaciones de Lorentz pueden ser aplicadas al observador o a los campos/partículas de tu teoría. La física no depende del observador o del sistema de coordenadas que se elijan, por lo tanto una teoría DEBE ser invariante ante transformaciones de Lorentz del observador, de esta manera las leyes de la física son las mismas para todos los observadores. Sin embargo una violación de la simetría de Lorentz ocurre cuando al transformar las propiedades de los campos/partículas de una teoría se encuentra que en diferentes sistemas los efectos físicos (algo observable/medible como una sección eficaz, una taza de decaimiento, etc.) son diferentes. Este es el secreto detrás de las violaciones a la simetría de Lorentz (http://en.wikipedia.org/wiki/Standar...s._particle).

Por último, quisiera agregar que no estoy de acuerdo con la afirmación “ningún físico piensa que una violación real de la simetría Lorentz es posible en nuestro universo” ya que conozco muchos físicos (científicos serios e importantes) en todo el mundo que se dedican al estudio de las violaciones a la simetría de Lorentz, tanto teóricos como experimentales. El año recién pasado hubo un workshop sobre aspectos los teóricos (http://www.indiana.edu/~lorentz/sme2011/) y hace más de 10 años que hay una importante conferencia trianual en el tema (http://www.indiana.edu/~lorentz/cpt10/) que reúne a teóricos y experimentales de las más diversas áreas (partículas, física atómica, gravitación, etc.). El volumen de resultados experimentales ha crecido tanto que se ha elaborado un paper que debe actualizarse cada año resumiendo dichos resultados (http://inspirehep.net/search?p=find+...t+0801.0287). Incluso este verano hay una Summer School sobre el tema: http://www.indiana.edu/~lorentz/sme2012/.

planck

Stan, gracias por tu respuesta. Reconozco que no he leído casi nada sobre las teorías que implican una violación de la simetría Lorentz. Estoy de acuerdo contigo en que es muy importante estudiar con detalle todas las posibilidades incluidas las posibles violaciones de simetrías que consideramos fundamentales. Es posible que algunas de las simetrías que ahora consideramos fundamentales en realidad no lo sean, o que sean simetrías aproximadas (como la vía octuple de Gell-Mann) o incluso que sean simetrías rotas. Entiendo que la violación de la simetría Lorentz es bastante más sutil de lo que la gente no experta (como yo) cree y que dicha violación no sería una debacle para la física como la gente piensa. De todas formas me surge una duda: entiendo por lo que dices que aunque la violación de la simetría Lorentz no implicaría una violación de la conservación de la energía si implica una violación de la conservación del momento angular. Personalmente considero que la simetría de rotación debe ser tan fundamental como la de traslación o la temporal, de hecho grupos como el SO(3) o el SU(3) tan fundamentales en física de partículas se basan en la simetría rotacional. Por tanto la violación de la conservación del momento angular sería tan grave como la de la energía ¿Existen experimentos que impliquen una violación (real) de la conservación del momento angular?

Stan Marsh (@RTFM_)

hola planck,
te encuentro toda la razón en cuanto a la importancia de la conservación del momentum angular en la elaboración de teorías y el uso de grupos para ello, como SU(2) o SO(3); sin embargo debería señalar (algo que olvidé en mi comentario anterior) que en las bases de la formulación teórica de posibles violaciones a la simetría de Lorentz se considera tu observación: hasta la fecha no hay evidencia concreta (hablando conservadoramente) de señales que impliquen violación a la invariancia de Lorentz, por lo tanto la formulación de la teoría considera que de exitir, tales violaciones deben ser muy pequeñas. Dado que su estudio original proviene de teoría de cuerdas (que luego fue demostrado que también aparece en loop quantum gravity, non-commutative geometries, brane-world scenarios, y otras candidatas a teorías de gravedad cuántica), se espera que la masa de Planck sea el factor de supresión, es decir, se espera que de existir violaciones a la simetría de Lorentz su “tamaño” sea del orden E/M_Planck, donde E es la escala de energías estudiada. Por este motivo la mayoría de los efectos, como no conservación de momentum angular, no produciría efectos dramáticos en muchos sistemas debido a que esta “nueva física” aparecería a escalas muy pequeñas. Notar sin embargo que a pesar de ser efectos pequeños no significa que no sean observables ya que hay sistemas en los cuales efectos diminutos podrían producir efectos observables. Por ejemplo, las oscilaciones de neutrinos y de mesones neutros tienen naturaleza interferométrica, haciéndolos muy sensibles a pequeñas correcciones en la teoría, por lo tanto es tentador buscar señales en estos sistemas. Mi tesis de doctorado se trata justamente de esto, buscar señales en neutrinos. Un tipo de señal predicho por la teoría (hace más de 10 años) es que los neutrinos podrían moverse más rápido que la luz (suena familiar). Otro tipo de señal es la aparición de diferencias entre neutrinos y antineutrinos (como los reportados por los experimentos LSND y MiniBooNE). Otro tipo de señal es la aparición de oscilaciones en el experimento MiniBooNE, las cuales no podrían ser explicadas por el modelo convencional de tres neutrinos masivos (esto también ha sido reportado por MiniBooNE).
Desde el punto de vista conservador, todas las señales anómalas en neutrinos a la fecha (que podrían fácilmente ser explicadas en una teoría con violación de la simetría de Lorentz) están esperando por ser confirmadas, es muy pronto para decir que hay evidencia de Lorentz violation. Desde un punto de vista algo más optimista, podríamos estar frente a las primeras señales de Lorentz violation. Mi opinión por ahora es la primera, la conservadora.

Respondiendo a tu pregunta, hasta la fecha ningún experimento ha reportado la observación de violaciones a la conservación del momentum angular en el contexto de violaciones a la simetría de Lorentz. Hasta la fecha han habido búsquedas sistemáticas por los siguientes experimentos:

2005: LSND (http://inspirehep.net/search?p=find+...-EX/0506067)
2008: MINOS near detector (http://inspirehep.net/search?p=find+...t+0806.4945)
2010: MINOS far detector (http://inspirehep.net/search?p=find+...t+1007.2791)
2010: IceCube (http://inspirehep.net/search?p=find+...t+1010.4096)
2011: MiniBooNE (http://inspirehep.net/search?p=find+...t+1109.3480)

Una lista completa de experimentos (en otras áreas, no sólo neutrinos) que han realizado este y otros tipos de búsquedas de violaciones de la simetría de Lorentz puedes verla en esta web: http://www.physics.indiana.edu/~kost.../faq.html#8
Espero que esta información ayude.
Un saludo!

planck

Stan muchas gracias por tu respuesta le echaré un vistazo a estas teorías. Mira que si se confirman los resultados de OPERA (aunque yo no lo creo) todo el mundo empezará a estudiar las teorías que implican violaciones de la simetría Lorentz.
Un saludo.

Stan Marsh (@RTFM_)

hola planck,
como dices, si el resultado de OPERA se confirma habrá (o debería haber) un interés explosivo en violaciones de la simetría de Lorentz, sólo en los últimos meses la cantidad de papers en el arXiv sobre el tema aumentó en un 1000% respecto a antes de septiembre.
Creo que en el fondo todos pensamos que debe haber algún error y que MINOS no reproducirá el resultado, sin embargo lo mismo se pensaba sobre el test que OPERA realizó modificando los pulsos en noviembre. Ya veremos, sería algo tremendo que MINOS viera algo similar a OPERA.

En caso que te interese, el artículo sobre neutrinos y Lorentz violation en Wikipedia está bastante bien escrito, me da la impresión que el autor es alguien que se ha leído varios papers sobre el tema por los detalles: http://en.wikipedia.org/wiki/Lorentz...scillations

planck

Por cierto, no se si la violación de la simetría Lorentz podría implicar una violación de la conservación de la energía pero si asi fuese el análisis de este grupo sobre los datos de IceCube sería incorrecto ya que una de las hipótesis de partida es precisamente la conservación de la energía. De todas formas la sola idea de que se pueda violar este principio ya es bastante absurda por si misma.

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