MINOS obtiene la medida más precisa de la velocidad de los neutrinos

Por Francisco R. Villatoro, el 17 julio, 2015. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 13

Dibujo20150717 arrival time distribution - minos - fermilab - neutrino speed

Medir la velocidad de los neutrinos permite medir su masa, pero en una distancia de 734 km se requiere una precisión de femtosegundos. Imposible de lograr, hoy nos conformamos con medidas de nanosegundos. El doble detector de neutrinos MINOS usando el haz NuMI del Fermilab ha logrado la medida más precisa (v/c−1) = (1,0 ± 1,1) × 10−6. Por supuesto la medida es consistente con lo esperado para una neutrino con una masa menor de 0,2 eV/c².

 

El artículo es MINOS Collaboration, «Precision measurement of the speed of propagation of neutrinos using the MINOS detectors,» arXiv:1507.04328 [hep-ex].

Dibujo20150717 schematic spill structure showing 6 neutrino batches - minos - fermilab

Ninguna partícula puede moverse a una velocidad mayor que la velocidad de la luz en el vacío (c). La velocidad de una partícula depende de su energía cinética. Como los neutrinos tienen una masa tan pequeña (menor de 0,2 eV/c²), en la práctica se mueven (casi) a la velocidad de la luz en el vacío (incluso a través de la materia de la corteza terrestre); por ejemplo, para una energía de 10 eV se mueven al 99,99 %, para una energía de 1 KeV se mueven al 99,99999 %, y para experimentos como OPERA o MINOS con neutrinos de energías en la escala de 1 GeV su velocidad es mayor del 99,99999999999999999 % de la velocidad de la luz en el vacío (para todos los efectos prácticos es v=c).

Recordarás que en septiembre de 2011 el experimento OPERA (Laboratorio Nacional de Gran Sasso) afirmó que los neutrinos (muónicos) eran superlumínicos. Varios experimentos trataron de repetir su medida (entre ellos MINOS), por lo que solicitaron financiación específica. Más tarde, primavera de 2012, se descubrió que la medida era incorrecta (resultado de errores sistemáticos no considerados, pero que se podían descontar de los datos). Hoy sabemos que los datos de OPERA indican que los neutrinos son sublumínicos (v≈c), como debe ser.

El experimento MINOS tiene una ventaja sobre OPERA, tiene dos detectores de neutrinos, un detector cercano en el Fermilab (cerca de Chicago) y un detector lejano en la Mina de Soudan (cerca de la frontera entre EEUU y Canadá). Desde el Fermilab se emite un haz de neutrinos muónicos (llamado NuMI) gracias a 0,8×1020 protones con un momento de 120 GeV/c que colisionaron con un blanco de grafito entre marzo y abril de 2012 (cuando se descubrió el error de OPERA el experimento se interrumpió). El blanco produce piones y kaones cargados que se dirigen hacia un tubo relleno de helio de 675 m donde se producen los neutrinos muónicos (νµ) con un pico de energía centrado en 3 GeV. Los protones se agrupan en series (batches) de 1,6 µs separados por unos 100 ns. Cada serie tiene 81 paquetes (bunches) cada uno de 0,8 ns espaciados por 18,83 ns.

Dibujo20150717 Comparison TWSTT and GPS system between ND and FD - minos - fermilab

Para la medida de los tiempos de llegada de los neutrinos se usa un sistema basado en GPS periódicamente calibrado y un nuevo sistema de sincronización (llamado TWSTT, por Two Way Satellite Time and Transfer). No quiero entrar en los detalles técnicos, pero el resultado es la medida más precisa de la velocidad de vuelo de los neutrinos, consistente con la velocidad de la luz en el vacío dentro del margen de error sistemático considerado. La diferencia medida para el tiempo de llegada con respecto a la velocidad de la luz en el vacío es de  δ = (2,4±0,1(stat.)±2,6(syst.)) ns, que está dominada por los errores sistemáticas, siendo consistente con δ = 0. La velocidad de los neutrinos medida es (v/c−1) = (1,0±1,1)×10−6.

MINOS aprovechó el boom de OPERA y solicitó financiación. Cuando el boom de OPERA decayó, la financiación se cortó. Aún así, tener el nuevo récord es todo un honor para MINOS, lo que nos recuerda que EEUU sigue en el mapa de la física de los neutrinos. Y dará muchas sorpresas en los próximos años.



13 Comentarios

  1. Lo que no entiendo es por qué los neutrinos deben tener una velocidad fija. ¿ No pueden los neutrinos tener una velocidad de poco más de 0?. ¿Depende la velocidad de lo neutrinos de la energía de las partículas que colisionan?.

  2. Sí, lo decía medio en broma medio en serio, pero creo que si sería posible instalar uno en la Luna con un coste manejable.

    La Luna está a 384.000 kilómetros, respecto a esos 700km de distancia actuales del experimento.

    ¿Lo ves posible?

  3. ¿Por qué los neutrinos tienen velocidad fija?. Los electrones y los núcleos atómicos, tienen diferentes velocidades según se hayan acelerado.

      1. Gracias. Ahora entiendo mejor que el artículo habla de la precisión de la medida de la velocidad de los neutrinos, a una energía dada. (De hecho, la palabra precisión está en el título).

    1. notengoniidea:

      ¿Para qué hacer eso?, ¿Por qué no mejor poner un cañón de neutrinos a unos cuantos kilómetros del ice cube?, ¿Cuál crees que sería la ventaja de ponerlo en la luna?. Es totalmente absurdo suponer que el proyecto saliese a un coste razonable, sólo recuerda que colocar un kilogramo de cualquier material en el espacio cuesta mas de un millón de euros+Construcción(carísimo ¿cuántos países tienen un cañón de neutrinos?) + instalación(a propósito ¿lo harías en la superficie? ¡Por supuesto que no!, ¿Sabías que hay proyectos inmensos y de momento inviables por su costo para construir taladros para llevarlos al espacio y perforar el hielo de lunas como Titán?)

      Y aún llegases a colocar uno… ¿Qué ganarías?. Que yo sepa nada.

      Ahora en serio: La idea del cañón de neutrinos que describe Francis es fantástica adjunto un enlace con un artículo y un video de como opera.

      http://www.symmetrymagazine.org/article/november-2012/how-to-make-a-neutrino-beam

      Lo que dice Francis sobre el futuro de la física de partículas en Estados Unidos es muy interesante, aquí un resumen de lo mucho que se está preparando:

      http://arxiv.org/pdf/1401.6075v1.pdf

      1. En un kilómetro de distancia es imposible apreciar el retardo que sufre un neutrino respecto a un fotón en el vacío.

        Hace falta una distancia lo mayor posible para que el neutrino acumule un retraso respecto al fotón lo suficientemente grande como para que podamos medirlo.
        O al menos esa es la idea que yo tenía de todo este asunto, si no es así que alguien me saque del error.

        La distancia Tierra-Luna la podemos saber en tiempo real con una precisión de centímetros el mayor problema lo veo en mantener el cañón apuntando al detector durante muchas horas al día.

        1. notengoniidea:

          Mi punto es el siguiente: No hay ninguna buena razón para querer colocar el cañón en la luna.

          ¿Es posible apreciar en un kilómetro de distancia el retardo que sufre un neutrino respecto a un fotón en el vacío?. La respuesta es SI.

          Las primeras medidas de la velocidad de los neutrinos muónicos se hicieron en la década de los 70`s del siglo pasado, se hicieron el fermilab estudiando desintegraciones de kaones cargados y si buscas en wikipedia la longitud del anillo principal del fermilab la respuesta es: 800 metros. La verdad es que la estimación es mala respecto a lo que puede hacer OPERA o el ice cube con las medidas astrofísicas pero obviamente desde entonces la tecnología ha progresado muchísimo y sería incomparablemente más barato hacer un «cañón de neutrinos» a un kilómetro de un buen detector que ponerlo en la luna. Vamos y si no te satisface el kilómetro ¿Por qué no lo pones simplemente a 2 o N kilómetros?.

          Pero el punto más importante es que ya hay demasiadas fuentes astrofísicas de neutrinos suficientemente interesantes (como el sol y las supernovas) que son completamente gratis que te proveen de ellos y además (en el caso de las supernovas) te proveen de neutrinos ultra energéticos y en el caso del sol de la posibilidad de darse cuenta del fenómeno de la oscilación.

          Saludos.

  4. La velocidad de los neutrinos muónicos de masa inferior a 0’2 eV/c² está bien conocerla, pero recordemos que la velocidad es una magnitud, y el valor puesto en los neutrinos es un número adimensional. ¿A qué (unidad de) velocidad se desplazan? ¿En m/s? ¿En km/s?

    1. Alpha, en física de partículas y física de altas energías la velocidad se mide en unidades de c (la velocidad de la luz en el vacío) y lo habitual es adimensionalizar usando c=1. Por tanto, una velocidad de 0.9999 es lo mismo que 0.9999 c = 299 762.5 km/s.

      1. Pues, si la velocidad es de:
        (1’0 ± 1’1) x 10^-6 c
        Según mis cálculos, se mueven a 629’564 m/s (usando regla de 3). ¿No se supone que se mueven cerca de la velocidad de la luz? ¿O tienen poca velocidad debido a la poca cantidad de masa?

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