Entrevista con el neutrino

25 septiembre, 2011 en Actualidad,Física

El tema de los neutrinos está ciertamente en la cresta de la ola por los nuevos resultados que han sido publicados por el experimento OPERA del CERN. Suponemos que todos habéis leido aquí o allí, todo el mundo se ha hecho eco, que han encontrado que los neutrinos se mueven a una velocidad mayor que la velocidad de la luz.

En esta entrada pretendemos dar una explicación sin tecnicismos de qué es lo que está pasando y contextualizarla un poco.  Esperamos que esto sirva para aclarar ciertas “opiniones” que circulan por la red y que no tienen ningún fundamento.

¿Qué es un neutrino?

Los neutrinos son partículas elementales con unas determinadas caracterítiscas:

1.-  No tienen carga eléctrica.

2.-  Tienen espín con valor de 1/2 (es decir son fermiones).

3.-  No sienten ni electromagnetismo ni la interacción fuerte. Unicamente interaccionan con otras partículas a través de la interacción débil.

Las partículas que no sienten la interacción fuerte se denominan leptones.  Los leptones se dividen en dos clases, los cargados (electrón, muón, tauón) y los no cargados (neutrinos electrónico, neutrino muónico, neutrino tauónico).  Sabemos que los hay de tres clases porque cuando interactúan cada uno de ellos dan procesos físicos diferentes.

Debido a que los neutrinos interaccionan débilmente es muy difícil detectarlos, para conseguirlo se necesitan detectores con mucha masa, esto hace que haya más núcleos por ahí y los neutrinos puedan interactuar con ellos. Aún así, los casos que se presentan en los detectores son muy pequeños.

Una característica de la que no hemos hablado es la de la masa de los neutrinos.  En un principio se pensó que estas partículas, al igual que los fotones, no tenían masa en reposo.  Sin embargo, estos bichos sufren un proceso denominado oscilación de neutrinos que básicamente consiste en que un neutrino del tipo electrónico (muónico o tauónico indistintamente) al desplazarse se convierte en otro tipo de neutrinos, digamos en muónico. Este proceso únicamente se puede dar si las partículas involucradas tienen masa. Para ser precisos, si un neutrino electrónico se transforma en uno muónico, este proceso sólo puede darse si la diferencia de masas entre ambas partículas no es cero.  Evidentemente eso implica que al menos dos neutrinos tienen masa.

Lo que no sabemos es cuánto vale la masa, sólo tenemos cotas a la misma y esas cotas nos dicen que no es muy elevada, pero el valor concreto de la masa de cada tipo de neutrino no se conoce aún con certeza.  Medir la masa de los neutrinos es algo complicado por lo difícil que resulta detectarlos.

 El experimento OPERA 

Este experimento está diseñado para ver las oscilaciones de neutrinos muónicos en tauónicos. El esquema del experimento es el siguiente:

1.-  Protones de alta energía (acelerados en los tubos aceleradores del LHC) son dirigidos a un blanco de plomo (que es un material de alta densidad).

2.-  Cuando los protones colisionan con los núcleos de plomo producen, entre otras cosas, muones y sus neutrinos compañeros. Además, por las leyes de conservación de la energía y el momento, sabemos que los muones y neutrinos salen prácticamente en la dirección de colisión (que es conocida).

3.-  Aprovechando que los muones son partículas cargadas son desviados con campos electromagnéticos y atrapados en filtros.

4.-  Los neutrinos muónicos siguen su camino.

5.-  Estos neutrinos salen en dirección a un detector subterraneo en el  Gran Sasso, montaña italiana a 732km del punto de generación de los neutrinos en el CERN.

6.-  En el trayecto los neutrinos muónicos, algunos de ellos, se transformarán en neutrinos tauónicos.

7.-  En el Gran Sasso hay detectores específicos para estos neutrinos tauónicos.

Lo que han encontrado en el experimento 

Aunque el experimento está diseñado para comprobar la oscilación de neutrinos muónicos en neutrinos tauónicos también puede medir el tiempo que tardan los neutrinos desde que son producidos en el CERN hasta que son detectados en Gran Sasso.  Lo que han encontrando es que llegan 60ns antes de lo que tardaría un fotón en el vacío en recorrer la misma distancia.  Eso quiere decir que la velocidad de los neutrinos es mayor que la velocidad de la luz en el vacío (según los resultados de este experimento).

Está claro que este resultado es interesante, alarmante, novedoso y problemático.  Lo primero que hay que saber es si se ha cometido algún error en el experimento.  Pues bien, los científicos trabajando en OPERA han mostrado los datos y el procedimiento y todo parece indicar que el resultado es sólido. Veamos las posibles fuentes de error:

a)  Saber cuando salen los neutrinos.

En este punto los experimentadores de OPERA han logrado saber cuando salen los neutrinos determinando cuando colisionan los protones.

b)  Saber cuando llegan los neutrinos.

Hay que saber cuando interactúan y qué tiempo se tarda en detectar los resultados de la interacción por parte de los detectores del experimento.

c)  Hay que sincronizar los relojes del CERN y del Gran Sasso.

Para ello han utilizado un ingenioso sistema basado en medidas de GPS complementados con relojes de cesio y además otros de fibra óptica.

d)  Hay que saber la distancia exacta entre los dos laboratorios, el de producción y el de detección.

El método empleado ha logrado tener tan solo un error de 20cm en la determinación de la distancia, que viene siendo de 732km.  Ciertamente despreciable. Además han tenido en cuenta la influencia de la Luna (que puede variar la distancia), diferencias estacionales, diferencia día/noche e incluso la influencia de la deriva continental y los terremotos.

Todos los detalles vienen explicados en el artículo científico: Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam

Además se puede ver la conferencia de presentación de los resultados: Experimento OPERA

Conclusión:

Este experimento, muy bien hecho, dice que los neutrinos tienen una velocidad superior a la de la luz.

Cosas a tener en cuenta

1º  Hay otras observaciones de supernovas (cuando explotan también emiten neutrinos) que dicen que la velocidad de los mismos es menor que la velocidad de la luz en el vacío. Muchos medios han dicho que eso invalida este resultado que estamos comentando.

Bien, puede ser, pero hay que entender que en las observaciones de neutrinos de supernovas se detectan neutrinos electrónicos.  En OPERA se trabaja con neutrinos muónicos en vuelo (que oscilan a tauónicos).  Nadie sabe si todos los neutrinos se comportan igual o este resultado es algo que depende de que sea de una clase u otra.  Así que hay que tener mucho cuidado con estas apreciaciones y comparaciones.

2º Aunque los neutrinos viajen a v > c no significa que la relatividad especial esté mal.

Esto es muy importante, la relatividad especial dice que ninguna partícula con masa no nula, real y positiva, puede superar ni tan siquiera llegar a la velocidad de la luz en el vacío.  Pero relatividad especial no prohibe que haya partículas que se muevan a mayor velocidad que la velocidad de la luz, estas hipotéticas partículas se denominan taquiones.  Los taquiones siempre han sido problemáticos por motivos a los que haremos referencia en una entrada futura, pero la posibilidad está abierta.

3º  En muchos sitios se ha dicho que esto abre las puertas a los viajes en el tiempo.

Esto no tiene sentido.  En el estado actual no hay relación alguna entre este resultado y los viajes en el tiempo.

En la red se puede encontrar mil millones de entradas hablando de este tema, cada cual con un título más impactante: “El CERN derrota a Einstein” “Los neutrinos llegan antes de salir” “El CERN abre las puertas a los viajes en el tiempo”, y un largo y desesperante etc.  Hay que ser cautelosos con lo que se lee, no tirar las campanas al vuelo.  Lo único que tenemos es un resultado que no tenemos ni idea de interpretar por ahora, aunque la maquinaria teórica se ha puesto en marcha y pronto habrá explicaciones de todo tipo.

Lo verdaderamente importante es que otros laboratorios repitan este experimento de manera independiente y estudien si encuentran los mismos resultados o no. Parece ser que en Fermilab, un laboratorio de altas energías en Chicago, hay un experimento que podría arrojar luz sobre esto, habrá que estar atentos al experimento MINOS.

Cuentos Cuánticos

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