La medida de OPERA de mayo de 2012 de la velocidad de los neutrinos mu

Lo primero, si quieres enterarte de cómo funciona el experimento OPERA para la medida de la velocidad de los neutrinos, te recomiendo que te leas mi artículo “Sherlock Holmes y el fantasma de la Ópera,” Journal of Feelsynapsis, que aparece en la pág. 72 [puedes leer la revista JOF online, o descargarte el PDF completo]; la gente que lo ha leído dice que le gusta (quien no lo ha leído no dice nada, ¿aún no lo has leído?).

Lo segundo, quisiera felicitar a Antonio Ereditato y Dario Autiero por lo bien que manejaron la crisis en el experimento OPERA cuando se convirtió en una bomba informativa que los neutrinos le habían hecho un corte de manga a Einstein; gracias a su labor, digna del personaje de Conan Doyle, como enaltezco en mi artículo en JOF, hoy se ha publicado una medida de la velocidad de los neutrinos mediante los cuatro grandes experimentos situados en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso: ICARUS, Borexino, LVD y OPERA. Ereditato y Auterio tuvieron que dimitir, pero su labor gestionando la crisis durante el mes de octubre de 2011 ha sido fundamental para el logro que se ha publicado hoy en el congreso Neutrino 2012, Kyoto, Japón.

Lo tercero, copio de mi artículo en JOF, “en este blog leerás en varias ocasiones que los neutrinos se mueven a la velocidad de la luz, aunque en realidad se mueven por debajo de esta velocidad, pero la diferencia es tan pequeña que es despreciable. Sabemos que la suma de las masas de los tres tipos de neutrinos es menor de 0,39 eV/c2 según medidas cosmológicas y que los neutrinos observados por OPERA tienen energías entre 4 y 45 GeV, con lo que un cálculo relativista sencillo nos dice que se mueven a una velocidad mayor del 99,99999999% de la velocidad de la luz en el vacío. Para medir esta velocidad los experimentos como OPERA deberían ser capaces de medir diferencias de tiempos de llegada de los neutrinos de unos pocos femtosegundos (millonésimas de nanosegundo). En la actualidad es imposible diseñar un experimento capaz de alcanzar esta precisión en una distancia de 730 km; el sistema de medida de tiempos desarrollado para OPERA, el más preciso del mundo en experimentos con neutrinos, solo puede medir diferencias de pocos nanosegundos.”

Y lo cuarto es ir al grano. El objetivo de esta entrada es doble, por un lado, describir el experimento realizado en mayo de 2012, que repetía la medida con pulsos cortos realizada en octubre de 2011, tras corregir los fallos descubiertos en diciembre de 2011 en el experimento OPERA. Por otro lado, comentar cómo se ha corregido la medida de la velocidad de los neutrinos publicada en septiembre de 2011 y que aparecerá en el artículo final que acabe siendo publicado en la revista JHEP. La fuente de esta entrada es la charla de hoy de Marcos Dracos (on behalf of OPERA Collaboration) , “The neutrino velocity measurement by OPERA experiment,” Neutrino 2012, Kyoto, Japón, June 8, 2012 [transparencias en inglés; aparece un recuadro que indica la clave "kds" y la palabra de paso].

Entre el 10 y el 24 de mayo de 2012, el experimento CNGS (CERN to Gran Sasso), situado en el CERN (cerca de Ginebra, Suiza), ha enviado cuatro ráfagas de protones a un blanco de grafito que ha producido mesones que se han desintegrado en un túnel de vacío de 1 km de longitud produciendo neutrinos mu dirigidos hacia el Laboratorio Nacional de Gran Sasso (LNGS), a 120 km de Roma, Italia, construido bajo una montaña de 1400 metros de roca. Cada ráfaga está compuesta de 16 paquetes separados en el tiempo unos 300 ns y cada paquete está compuesto de dos chorros cortos de neutrinos (unos 3 ns) separados 100 ns, como muestra la figura. Para producir estos 256 paquetes de neutrinos se han enviado al blanco unos 200 mil billones de protones durante dos semanas.

En los detectores del experimento OPERA se han detectado solo unas decenas de neutrinos. Por cada neutrino, gracias a un complejo sistema de medida del tiempo de vuelo de vuelo de los neutrinos utilizando relojes atómicos y un sistema de GPS, se ha determinado el retraso δt de su llegada con respecto al momento esperado para la llegada de un fotón que recorriera la misma distancia. Si δt>0 significa que el neutrino ha llegado antes de lo que llegaría un fotón. Si δt<0 significa que el neutrino ha llegado después. Esta figura muestra el retraso en el tiempo de llegada de todos los neutrinos detectados en función del tipo de detección (no quiero entrar en detalles técnicos sobre cada uno de estos modos de detección pues me alejaría de mi objetivo). Como muestra esta figura, en todos los casos el valor medio es negativo, los neutrinos llegaron con retraso (no con adelanto como se creía en septiembre de 2011), aunque el error cuadrático medio es comparable al valor medido, lo que indica que en todos los casos los neutrinos se movieron “aparentemente” a la velocidad de la luz. En concreto, 59 neutrinos dan un valor de δt = −1,6 ± 8,5 ns (nanosegundos), unos 42 neutrinos dan δt = −2,7 ± 8,4 ns, otros 48 neutrinos dan δt = −6,1 ± 6,6 ns, y finalmente los últimos 40 neutrinos dan δt = −5,1 ± 4,1. Cuando se tienen en cuenta todos estos estos neutrinos se obtiene un valor de δt = −1,6 ± 7,2 ns, lo que implica que la velocidad relativa de los neutrinos respecto a la velocidad de la luz en el vacío ha sido de (v-c)/c = (−0,7 ± 3,0)×10−6, un valor que hay que comparar con el medido mediante supernovas (para neutrinos electrónicos) que es igual a (v-c)/c = (2,0)×10−9. Por tanto, como es de esperar los neutrinos según el experimento OPERA con pulsos cortos realizado en mayo de 2012 son sublumínicos y se mueven a la “velocidad de luz” dentro de los márgenes de error del experimento.

Por otro lado, tras el descubrimiento en diciembre de 2011 de los dos errores sistemáticos en el experimento OPERA, se ha realizado un intenso estudio sobre su estabilidad entre 2009 y 2011; caso de que el error sistemático se haya mantenido estable podrá ser descontado de los datos recabados, que podrán ser corregidos. La conclusión obtenida (que ya anticipamos en este blog de forma oficisa) es que los errores se han portado de forma estable y todos los datos analizados en septiembre de 2011 pueden ser realizados. El cable de fibra óptica mal conectado adelantaba el tiempo de llegada de los neutrinos en 74 ns y el desplazamiento en la frecuencia de del reloj maestro interno (Δf/f = 124 ns/s) retrasaba articifialmente la llegada unos 15 ns. Como ambas anomalías parecen constantes, gracias al estudio de los muones que han cruzado LVD y OPERA de forma consecutiva, se puede corregir su efecto y se pueden aprovechar todos los datos de neutrinos recabados por OPERA entre 2009 y 2011, que han sido reanalizados por completo.

El resultado del nuevo análisis (todavía calificado de preliminar, con lo que podría cambiar ligeramente) es que los 15223 neutrinos para los que se pudo determinar con precisión suficiente su instante de llegada a Gran Sasso lo hicieron con un adelanto respecto a un fotón en el vacío de δt = +6,5 ± 7,4 ns, es decir, un resultado compatible con la ausencia de adelanto δt = 0. Para el relativo en la velocidad de los neutrinos respecto a la velocidad de la luz en el vacío se ha obtenido el valor (v-c)/c = (+2,7 ± 5,6)×10−6, un error relativo mil veces mayor que el obtenido con datos de supernovas. El reanálisis de los datos de pulsos cortos de neutrinos recogidos en octubre de 2011, tras restar el error sistemático, ofrece un adelanto para los 20 neutrinos detectados de δt = +1,9 ± 3,7 ns. Este resultado es compatible con el anterior y con el resultado nulo.

En resumen, OPERA nos ha ofrecido hoy tres medidas del adelanto o retraso en la llegada de los neutrinos respecto a un fotón, una negativa (la de mayo de 2012) y las otras dos positivas, pero en todos los casos con un error que las hace compatible con cero. Los neutrinos son sublumínicos y se mueven a una velocidad mayor del 99,9997% de la velocidad de la luz en el vacío (según OPERA).

Para acabar, recordar de nuevo que el mejor método disponible para medir la velocidad de neutrinos en una distancia de unos 730 km ha conducido a un resultado con un error mil veces mayor que el obtenido gracias a la explosión en 1987 de una supernova en la Gran Nube de Magallanes, una galaxia satélite de la Vía Láctea. Mejorar el valor obtenido utilizando el sistema de medida de tiempos tipo OPERA (utilizando GPS y relojes atómicos sincronizados) hasta que su error sea comparable al obtenido con el obtenido en 1987 gracias a una supernova es imposible con dicha tecnología. Aún así, el resultado obtenido por OPERA es un gran ejemplo de que el método científico funciona. Como acabo mi artículo en JOF, “La verdad científica nunca está en posesión de una sola fuente, siempre es necesario el consenso entre muchas. La jugada maestra de OPERA de ceder su sistema de medida de tiempos a las otras tres colaboraciones de Gran Sasso, en especial a ICARUS, y su colaboración con LVD han sido claves para resolver el misterio. Porque como en las mejores novelas de Sherlock Holmes, la verdad siempre acaba viendo la luz.”

PS (14 junio 2012): El artículo de OPERA con los neutrinos de Teramo detectados en LVD y OPERA, así como la corrección de las medidas publicadas en 2009 es el siguiente: N. Yu. et al. (LVD & OPERA Collaborations), “Determination of a time-shift in the OPERA set-up using high energy horizontal muons in the LVD and OPERA detectors,” arXiv:1206.2488, Submitted on 12 Jun 2012 (nótese que A. Ereditato es uno de los autores).

18 Comentarios

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newton666newton666

Dr Francis tengo una duda porque en la entrada anterior usted señala un δt>0 para la llegada de los neutrinos y ahora en esta entrada dice que se obtuvo un δt<0 ? si este es el caso entonces no habria duda de que los neutrinos son sublumínicos perdone mi ignorancia pero no soy físico.

emulenewsemulenews

Newton666, como la incertidumbre es más grande que el dato medido, a veces se obtiene un valor positivo y a veces un valor negativo. Los resultados experimentales son así. OPERA ha obtenido tres valores, dos son positivos (los neutrinos llegan antes) y uno es negativo (llegan despúes). MINOS, Borexino, LVD e ICARUS también han obtenido un valor positivo. Pero hay que recordar que en todos los casos el error es mayor que el valor medido.

ArtemioArtemio

Francis, te agradezco el esfuerzo y tu explicación sobre el efecto Cherenkov y los neutrinos. Pero sigo teniendo las mismas dudas, científicas y semánticas. Vamos por partes. El que dice que los neutrinos de OPERA son lumínicos soy yo puesto que tienen velocidad c. Ahora bien, si desde el momento en que tienen masa, siquiera sea despreciable, no se les puede llamar lumínicos sino subluminicos, entonces son subluminicos. Esto nos lleva a un escenario surrealista: por el lado de le velocidad son lumínicos, pero por el lado de la masa son subluminicos. Una paradoja que refuerza mi opinión: neutrinos y fotones son objetos similares.

Vamos con el efecto Cherenkov. Si la hipótesis de Cohen y Glashow no se aplica a OPERA, que es un experimento que no se realiza en el vacío sino bajo tierra, en el que no se usan taquiones sino protones lanzados contra blancos de grafito que a su vez generan neutrinos, ¿qué demonios pintan aquí los taquiones? Hablar de taquiones en este contexto es redundante. La luz, que está formada por fotones, que no son partículas cargadas, es la que produce el efecto Cherenkov. Para producir el efecto Cherenkov no es necesario que el fotón alcance velocidad hiper c sino c y tampoco es necesario que esté cargado, de hecho el fotón carece de carga. La hipótesis de Glashow y Cohen, en el contexto de OPERA, no se sostiene.

Por último, observo con sorpresa que el resultado de MINOS detecta neutrinos 18 nanosegundos más rápidos que la luz. Eso sí, compatibles con cero.

tu anciana abuela

Tiene buena pinta la revista. Me la bajo y te cuento. El artículo sobre Cuenca, que es lo único que he visto con mas tiempo, interesantísssimo.

Lástima que haya acabado la exposición.

Os está quedando guay¡¡¡

Me voy a bajar las cuatro, y te iré contando.

PabloPablo

Para todos aquellos que íbais de físicos superguays y adelantados a su tiempo que habéis comentado en este blog “que todo era una conspiración para ocultarnos que podemos viajar en el tiempo” y barbaridades parecidas: porqué no comentáis ahora? Vuestros nombres y comentarios quedarán para siempre en la Red. Espero que os sirva de lección.

ArtemioArtemio

Pablo, lo cierto es que se siguen detectando neutrinos más rápidos que la luz, estamos al comienzo de una investigación que promete ser fértil.

Corrijo mi error, los neutrinos detectados por MINOS no son 18 nanosegundos más rápidos que la luz sino más lentos que el fotón, confundí el sentido del signo.

planck

A ver Artemio, si a estas horas de la película dices algo como “se siguen detectando neutrinos más rápidos que la luz” es que o no te has enterado absolutamente de nada o es que tu enajenación requiere tratamiento urgente. 1º) Nunca se han detectado neutrinos superlumínicos, las medidas anteriores de OPERA eran erróneas 2º) Las nuevas medidas de varios experimentos independientes muestran que todas las medidas son compatibles con la velocidad de la luz, lo que indica claramente que los neutrinos viajan a casi casi la velocidad de la luz. 3º) Jamás se detectará ninguna partícula con masa en reposo positiva viajando a velocidad superlumínica en el vacío por que las leyes físicas fundamentales sobre las que se asienta toda la estructura de la ciencia lo prohiben y por que nadie estaría aquí escribiendo esto si estas leyes no fueran asi. 4º) Los tarados “anti-Einstein” deberían a empezar urgentemente a estudiar relatividad y por qué la mayoría de las teorías modernas incorporan la invarianza Lorentz como criterio imprescindible para el correcto funcionamiento de las mismas, y comprarse un cepillo de dientes para lavarse la boca cada vez que pronuncien el nombre de Einstein.

emulenewsemulenews

Abuela, el entrelazamiento cuántico no viola la teoría de la relatividad y no permite transmitir información más rápido que la luz. La física cuántica lo prohíbe. Corresponde a “correlaciones cuánticas” que en apariencia son superlumínicas por ser “no locales.”

El teletransporte cuántico tiene un nombre sugerente, pero se trata de trata de la única manera de copiar (clonar es el término técnico) un estado cuántico. En experimentos como el descrito en la noticia de ABC es necesario transmitir información clásica (transmitida como mucho a la velocidad de luz) para completar la “copia” (si prefieres, el teletransporte del estado).

En cuanto a la noticia, no estoy de acuerdo con que sea “todo un hito” pues pasar de 16 km a 97 km en comunicaciones cuánticas no guiadas no tiene ninguna trascendencia (ni teórica ni práctica). Se trata de un hito técnico, alinear bien los láseres y aprovechar unas condiciones atmosféricas adecuadas. Con comunicaciones cuánticas guiadas (fibra óptica) se logran distancias mayores sin problemas ( http://www.technologyreview.com/view...eportation/ )

Fer137Fer137

Plank, ahora recuerdo que hicimos alguna apuesta en este tema. Te debo una cerveza, o un euro, o algo así. (Aunque yo proponía apostar 100 a 1, y tu decías 1 a 1 y con ese ratio no me era muy ventajosa)

planck

Fer, sí me suena la apuesta. De todas formas para mi la ganancia prevista era escasa: 100% de probabilidades de ganar 1 cerveza y 0% de tener que pagarla aunque tú si propusiste 100 a 1 supongo que pensabas que tenias alguna probabilidad (que Einstein tuviera razón igual te salvo de una intoxicación alcohólica :D). De todas formas te honra el reconocer que has perdido una apuesta que ya estaba olvidada aún sabiendo que probablemente nunca la pagarás jeje
Un saludo.

KgzKgz

El concepto “prohibir” es más bien de la inquisición y no de la ciencia. Controlen su ardor en el razonamiento científico.;-)

emulenewsemulenews

Por cierto, Artemio, solo por comparar, los protones en el túnel del LHC con una energía de 4 TeV se mueven con una velocidad igual al 99.999 997 % de la velocidad de la luz, o los electrones en el mismo túnel (LEP) pero una energía de 105 GeV (las colisiones en el año 2000 tenían 210 GeV c.m.) se movían con una velocidad igual al 99.999 999 999 % de la velocidad de la luz.

ArtemioArtemio

Francis, ¿y? Hablamos de neutrinos que viajan 730 kilómetros (cito de memoria, igual son algo más o algo menos), lanzados con una energía promedio de 25 GeV (también cito de memoria). ¿Por qué tanta renuencia a aceptar que tales neutrinos son lumínicos y por qué tanta renuencia a aceptar que algunos neutrinos tienen picos hiper c de velocidad?

planck

Artemio, sin acritud, deberías empezar por leer algún libro de física elemental, asimilar conceptos y preguntar tus dudas antes de soltar sandeces: 1º) Los neutrinos no pueden alcanzar c, nunca se ha medido tal cosa y nunca se medirá. Lo que sucede es que su masa es tan pequeña que su velocidad es tan próxima a c que los experimentos no tienen la sensibilidad tan extraordinaria que se requiere para medir la diferencia. 2º) Cuando se habla de “luz” se hace referencia a todo el espectro electromagnético, la luz, independientemente de su longitud de onda siempre viaja a c. A la naturaleza “se la suda” si es visible o no para nosotros. 3º) Para los neutrinos la Tierra está vacía, a los neutrinos “se la suda” si están atravesando un lago, una montaña o el núcleo terrestre, la inmensa mayoría de ellos atraviesan la Tierra sin interactuar con nada. Solo una parte infinitesimal puede ser detectada y todos los datos confirman que su velocidad es la que predicen todas las leyes físicas. 4º) La velocidad c es una constante totalmente absoluta por que refleja una propiedad fundamental del espacio-tiempo y el espacio-tiempo es el mismo en todas las partes del Universo. Esta constante fundamental hace que las leyes de la física sean las mismas para todos los observadores independientemente de su estado de movimiento.
Como ves (o deberías) c no es un invento o una convención que usan los físicos es una propiedad fundamental del Universo que habitamos.

espaidualespaidual

Artemio,
es normal que, por intuición, entiendas la velocidad como una magnitud relevante. Pero en relatividad especial las cosas funcionan distinto: la magnitud relevante es el factor de Lorentz que diverge al tender v a c. Esto no sirve como argumento empírico ya que, como bien dices desde éste punto de vista, podría ser que la rapidez fuese 1, dentro de las desviaciones estadísticas. Pero el valor en sí de 0.99999…98 es esencialmente distinto de 1 en relatividad especial. Por muy cercano que sea a 1 siempre podrás encontrar un sistema de referencia en el cual esté en reposo -> existe masa en reposo. Para la relatividad especial, v= 0.99999998 c es tan distinto a c como la velocidad de un caracol.
un saludo

ArtemioArtemio

spaidual, hasta donde llega mi conocimiento de física y matemática entiendo tu razonamiento. Y al mismo tiempo me surgen varias dudas. Parece que la matemática implícita en la RE actuase como un mecanismo de blindaje donde sucesivas “renormalizaciones” del cálculo impiden que la velocidad de otra partícula distinta del fotón o que siquiera tenga un atisbo de masa pueda formalizarse de un modo lógico. Me pregunto por qué no se actúa igual cuando en un pico hiper c del neutrino el fotón se observa con la velocidad del caracol.

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