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Los neutrinos y su velocidad: un experimento sujeto a prueba

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No es frecuente que las noticias científicas ocupen las primeras planas en los periódicos y espacios en los medios de comunicación. El viernes pasado (23 de septiembre) fue uno de esos contados casos en que los resultados de una investigación científica saltaron a los titulares noticiosos. Los físicos del proyecto OPERA reportaron que los neutrinos podrían viajar a una velocidad superior a la de la luz, lo que contradice la teoría de la relatividad especial de Einstein publicada en 1905. Invité a Luis A. Orozco, científico tapatío quien trabaja en el Departamento de Física de la Universidad de Maryland, para que compartiera con los imaginarios lectores del cierzo sus reflexiones sobre este tema.

 

La colaboración OPERA y la velocidad de propagación de los neutrinos.

Por Luis A. Orozco

 

Todo empieza con el sol

Tenemos mucha experiencia con una de las cuatro fuerzas de la naturaleza: la gravedad. Sobre otra - la fuerza electromagnética – podemos tener una idea más o menos general y de las dos restantes, la fuerte y la débil, no tenemos experiencia porque su acción se da en el nivel de las partículas.  

La fuerza débil es la responsable del decaimiento beta. Esta fuerza inicia del ciclo solar donde se fusionan elementos ligeros, para formar elementos más pesados. Todo empieza cuando protones del hidrogeno se convierten en neutrones para poder formar Helio, que en su núcleo contiene dos protones y dos neutrones. Enrico Fermi (Roma, 1901-1954) propuso su teoría del decaimiento beta, - la fuerza débil - en los años treinta y con ello introdujo de una manera consistente a los neutrinos, una idea propuesta por Wolfgang Pauli (Viena, 1900-1958) para explicar por qué el decaimiento beta parecía no conservar energía.

Los neutrinos son partículas muy ligeras que interactúan mediante la fuerza débil y pueden tener muy altas energías. No tienen carga eléctrica y pertenecen a la familia de los leptones. La naturaleza parece respetar el numero de leptones en una reacción de partículas elementales; así cuando un protón y un electrón se convierten en un neutrón, aparece también un neutrino para conservar el número de leptones antes (un electrón) y después (un neutrino) de la reacción. Volviendo al sol, es gracias a lo débil de la fuerza débil que la vida del sol y las estrellas es tan larga, cualquier otra fuente de energía de las que conocemos, no hubiera permitido al sol tanto tiempo de existencia.

 

Dos experimentos con sorpresas

Los neutrinos son muy difíciles de detectar. Se necesitan muchos y a altas energías para poder observarlos. Dejan rastros de su existencia en muchos lados, por ejemplo en la forma del espectro del decaimiento beta, pero su detección individual es mediante reacciones donde un neutrino reacciona con un neutrón y se produce un protón y un electrón o con los resultados del choque (scattering) de un neutrino con un electrón.

Hay dos ejemplos recientes en donde este proceso se ha utilizado para detectar neutrinos. En el primero, llevado a cabo a mediados de los años sesenta del siglo pasado, Ray Davis comenzó a utilizar un detector con cloro en el experimento Homestake en Estados Unidos (380 metros cúbicos: un cubo de un poco más de siete metros de lado) que cuando un núcleo interactúa con un neutrino y uno de sus neutrones cambia a protón, el núcleo deja de ser cloro y se convierte en argón. Su método de detección consistía en sacar los pocos (alrededor de diez al mes) átomos de argón que se generaban; esto da una idea de lo débil de la interacción y de la capacidad de separación de elementos que tenemos hoy en día. El segundo ejemplo inició operaciones en los ochentas y es el experimento de Masatoshi Koshiba, Kamiokande (Kamioka Nucleon Decay Experiment) y su sucesor Super-Kamiokande en Japón donde el detector es simplemente un enorme tanque de agua ultra pura (16 m de altura y 15.6 de diámetro) y transparente en donde algunos neutrinos provenientes del sol pueden chocar con un electrón que sale disparado con mucha energía y puede ser  observado por detectores muy sensibles a la luz que están pendientes a la emisión por el electrón de radiación Cherenkov, la cual es el equivalente de una onda de choque supersónica pero con luz no con sonido. Este detector es también sensible a antineutrinos produciendo antielectrones detectables por radiación Cherenkov.

El experimento de Ray Davis detectaba menos neutrinos provenientes del sol de los que debía según la física teórica y eso ocasionó multitud de artículos sobre el problema de los neutrinos del sol. Todavía a finales de los ochenta muchos físicos criticaban duramente al experimento de Ray Davis. Los cálculos teóricos de John Bachal, que predecían un cierto número de neutrinos provenientes del sol también fueron sujetos a un escrutinio fuerte. Mientras tanto Homestake continuaba haciendo mediciones y su error bajaba poco a poco a la vez que también la incertidumbre en los cálculos de Bachal se reducía. Conforme esto pasaba varios físicos aventuraron la hipótesis, ya formulada a principios de los sesenta por un alumno de Fermi y en ese entonces residente en la Union Sovietica Guido Pontecorvo (hermano del director de cine), de que los neutrinos oscilaban, cambiaban de sabor y tienen masa.

Cuando Kamiokande, a mediados de los ochenta, mostró resultados consistentes con Homestake quedó claro que los neutrinos oscilan y tienen masa. Curiosamente la medición implica que el cuadrado de la diferencia de sus masas no es cero, así que todavía no sabemos el valor de su masa, pero estamos seguros de que es muy pequeño, menos de una millonésima de la masa del electrón, la más ligera de las partículas que forman los átomos, las otras dos son protones y neutrones.

Este resultado fue sorprendente y todavía no tenemos explicaciones del por qué. Ha sido una lección reciente de la importancia de los experimentos respecto a las teorías, sobre todo cuando se trata de la fuerza débil.

 

OPERA entra al juego

Las oscilaciones de los neutrinos entre diferentes tipos es ahora el objeto de estudios experimentales para poder determinar más propiedades de la fuerza débil y de los neutrinos.  Todo parece indicar que hay tres tipos de neutrinos: electrón, muón y tau y están más o menos asociados con los tres tipos de leptones cargados que conocemos. Aquí es donde entra el experimento OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) en Gran Sasso Italia. Ellos están interesados en detectar los neutrinos de tipo tau que han oscilado cuando empezaron en CERN, (el Laboratorio Europeo de Altas Energías en Suiza) como neutrinos de tipo muón. CERN constantemente genera pulsos de protones (10 microsegundos de duración) que chocan con un blanco en dirección del Gran Sasso para generar un pulso de unos cuantos neutrinos del tipo muón. En los tres o cuatro años que llevan operando han logrado identificar algún evento donde un neutrino tau explica las observaciones. Para ello requieren no sólo detectores de luz sino placas fotográficas, pues es la manera más sensible de detectar los tau. El experimento es complicado y tiene participación predominante de Japón e Italia pero participan científicos de muchos lugares.

OPERA recibe constantemente información de CERN, en Ginebra Suiza, que un pulso de protones ha chocado con el blanco. Esa información viaja vía satélite al centro del túnel bajo el Gran Sasso cercano a Roma, donde está el detector. Aquí es donde empieza la medición de la velocidad de los neutrinos que ha causado revuelo. Los neutrinos son muy difíciles de medir y dan sorpresas.

 

La velocidad de los neutrinos

Para medir la velocidad de un objeto es necesario conocer la distancia recorrida y el tiempo que llevó recorrerla. Esto parece fácil, pero cuando las velocidades son cercanas a la velocidad de la luz (La velocidad de la luz con 9 dígitos: 299 792 458 m/s) las cosas se complican. En términos muy generales podemos decir que la luz viaja 30 cm en un nanosegundo, esto es una mil-millonésima de segundo. La luz, radiación electromagnética, viaja a una velocidad menor en un medio con materia. Por ejemplo, en los cables que llevan la señal del detector a la computadora donde se guardan, la velocidad es de unos 20 cm por nanosegundo, unas dos terceras partes de la velocidad en el vacío.

Para conocer exactamente el tiempo transcurrido entre la generación de los neutrinos en CERN y su detección hay que tener en cuenta todos esos retrasos en detectores, cables, procesadores, además de las perturbaciones atmosféricas y otros fenómenos asociados con la propagación de ondas. Ese trabajo es muy delicado, pero en el articulo que han subido al archivo de artículos de física (se puede consultar en http://arxiv.org/abs/1109.4897) parecen haber estudiado con cuidado cada uno de esos pasos y su protocolo parece sólido.

Su medición del intervalo de tiempo entre la generación de los neutrinos y su detección es fundamentalmente estadística, pues CERN les avisa del envío del pulso, pero guarda la distribución de protones para luego poder estudiar cómo se correlaciona esa distribución con la de los neutrinos detectados en Gran Sasso. Si bien hay miles de millones de protones, sólo detectan unos cuantos neutrinos del tipo muón en Gran Sasso. El proceso se repite unas 20 veces por segundo y así ganan poder estadístico.

Una complicación, entre las muchas que tiene la medición, es asegurarse de la absoluta aleatoriedad de las fluctuaciones, pues si hay algún sesgo esto va a reflejarse en el resultado. Si el pulso dura 10 microsegundos y viaja a la velocidad de la luz, su longitud es aproximadamente 3 km. Dado que es un procedimiento estadístico esto quiere decir que conocen la media de esa distribución con precisiones alrededor de un metro. Esto es posible, pero puede haber problemas, sobre todo en la aleatoriedad de la muestra. El resultado final tiene una incertidumbre de 6.9 nanosegundos (poco mas de 2 metros).

La otra parte de la medición es la distancia entre los dos puntos dentro de la tierra. El laboratorio donde se generan los neutrinos en CERN y el detector en el Gran Sasso. Ahí tuvieron que pedirles a un grupo de geofísicos la hicieran. Otra vez hay muchas complicaciones pues la tierra está cambiando constantemente de forma y no hay un túnel que una el laboratorio de Gran Sasso con CERN. Hay mucho menos detalles de la medición de la distancia en el artículo que sobre la medición del intervalo de tiempo. La incertidumbre que citan es de 20 cm, dado que la distancia es de un poco mas de 730 km eso da una incertidumbre de 0.3 millonésimas, algo no fuera de lo común en mediciones precisas de distancias pequeñas (1 m a 1 km), pero excepcional en el caso de 730 km. Si uno mide la incertidumbre de esta distancia en tiempo que a la luz le llevaría recorrerla, la incertidumbre es menor a 1 ns. La razón que han medido entre la distancia e intervalo de tiempo da la velocidad y su diferencia con la velocidad de la luz es un cuarentamileavo o puesto como está en el artículo: (v-c)/c = (2.48 ± 0.28 (stat.) ± 0.30 (sys.)) ´ 10-5, donde el primer error es estadístico y el segundo sistemático.

 

¿Más rápidos que la luz?

A principios del siglo 20 los dos grandes edificios de la física teórica, la mecánica clásica y la electrodinámica no eran consistentes el uno con el otro. Mientras la mayoría de los físicos apostaba a la mecánica clásica, Einstein se preguntó qué se necesitaba modificar en la clásica para hacerla consistente con la electrodinámica. La respuesta es la teoría especial de la relatividad y uno de sus pilares es que ninguna partícula puede viajar más rápido que la velocidad de la luz y mantener relaciones causales con otras partículas. Una consecuencia de esto es que si la partícula tiene masa, ésta se incrementa conforme se acerca a la velocidad de la luz, volviendo más difícil continuar acelerándola, por eso los aceleradores de partículas ahora son de kilómetros de diámetro pues queremos llegar lo más cercano a la velocidad de la luz.

La velocidad de la luz como límite de las velocidades ha sido objeto de multitud de pruebas y todas las ha pasado. Por supuesto que ante un resultado como el de OPERA que va contra la relatividad especial, la atención y el escrutinio entra colegas tienen que ser muy grandes, pero se deben hacer de manera sistemática con las mejores herramientas teóricas y experimentales que tenemos.

 

Los neutrinos de la Supernova SN1987A, evidencia en contra

El 23 de Febrero de 1987 a las 7:35 hora universal (UT) el detector de Kamiokande junto con otro en Ohio y otro en la Unión Soviética registraron un exceso (24) de neutrinos en doce segundos, a las 10:37 (UT) unas tres horas después dos astrónomos Ian Shelton y Oscar Duhalde en le Observatorio Las Campanas en Chile descubrieron un punto brillante en una fotografía que acababan de tomar de la Gran Nube de Magallanes. Escéptico inicialmente, Shelton salió fuera del observatorio y pudo ver directamente la luz brillante en el cielo.

Los neutrinos los genera la implosión de la estrella cuando la fuerza de la gravedad gana a todas las otras fuerzas y los protones y electrones se convierten en neutrones y neutrinos (del tipo electrón). Luego emisiones de neutrinos y antineutrinos estabilizan a los neutrones y salen disparados con la mayor cantidad de energía que emite la supernova. La onda de choque hacia fuera de la estrella tarda unas tres horas en propagarse y es cuando explota con luz visible, pero no a la mayor intensidad, que sucede unos días después. Entendemos muy bien la explosión de supernovas y esas tres horas están bien establecidas. La estrella progenitora esta a 168,000 años luz.

Si tomamos las medición de OPERA (con neutrinos de tipo muón) como válida para el caso de la supernova y asumimos que los neutrinos (de tipo electrón) viajan mas rápido que la velocidad de la luz (1.000025) esto predice que los neutrinos de la supernova habrían llegado 4.2 años antes que la luz cosa que no sucedió, llegaron tres horas antes, entendemos por que llegaron antes,  y su energía  coincide con las predicciones de la energía de la explosión.

 

A manera de conclusión

La física es una ciencia empírica y como tal debe explicar las observaciones en la naturaleza. Si bien la estructura de física teórica parece tener una elegancia y belleza muy especial, esto no es criterio de verdad, pues la naturaleza no tiene por qué ser explicada por una u otra teoría. Hay experimentos muy difíciles, pero hasta el día de hoy, la repetición de resultados basados en los experimentos de diferentes grupos con diferentes métodos es la única garantía que tenemos para asegurarnos que nuestra descripción teórica coincide con el comportamiento de la naturaleza y nos da la posibilidad de predecir ese comportamiento.

Al abrir al escrutinio científico y público este resultado, OPERA está haciendo lo correcto. Han hecho todo lo posible por entender la señal, por entender los efectos sistemáticos y estadísticos del experimento, pero eso no implica que no se les haya escapado algo. La lectura crítica del artículo y las preguntas a los miembros de OPERA pudieran encontrar problemas con la medición. En estas colaboraciones los propios científicos son los más asiduos críticos de los resultados, pero aún así se les pudo haber pasado un detalle. Otros grupos van a tratar de repetir la medición pero con otro aparato y otros problemas. ¿ Se repetirá la historia de Homestake y Kamiokande?  Nadie lo sabe, pero ese escrutinio sistemático de la naturaleza, la ciencia, algún día nos dará el resultado, y la maneras que tenemos de medir la velocidad de los neutrinos no son únicas y los límites dados por la supernova SN1987A son impresionantes.

 

 

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