El gran problema de la medida de la velocidad de los neutrinos mediante el experimento OPERA es que se utilizaron pulsos de neutrinos muy largos, de unos 10000 ns (nanosegundos), para medir un efecto muy pequeño, de unos 60 ns, con un error menor de 5 ns, por lo que la forma de los pulsos influye mucho en el resultado. Entre el 21 de octubre y el 6 de noviembre de 2011 se está repitiendo el experimento utilizando pulsos muy cortos, entre 1 y 2 ns, y solo se detectarán unos pocos neutrinos (entre 10 y 15), pero se podrá confirmar o refutar si son superlumínicos, ya que la forma de los trenes de neutrinos no influye cuando se utilizan pulsos tan cortos. ¿Por qué no se han utilizado pulsos cortos hasta ahora? Porque el objetivo fundamental de OPERA es estudiar la oscilación de los neutrinos muónicos en neutrinos tau y para dicho estudio no se pueden utilizar pulsos tan cortos. Los resultados del nuevo estudio serán publicados a finales de noviembre. En mi opinión, sabremos muy pronto la solución del problema de los neutrinos superlumínicos de OPERA (el nuevo experimento refutará el resultado anterior). Ya os lo he dicho en varias ocasiones, yo creo que la solución del problema de los neutrinos superlumínicos vendrá desde dentro de la colaboración OPERA, mucho antes de que MINOS (EEUU) o T2K (Japón) puedan repetir el experimento y obtener sus propias conclusiones al respecto. Nos lo ha contado mucha gente, entre ellos Lisa Grossman, “Faster-than-light neutrino result to get extra checks,” NewScientist, 25 October 2011; Matt Strassler, ”A Few Tidbits from Nagoya, including OPERA news,” Of Particular Significance, October 26, 2011; Paul Rincon, “Faster-than-light neutrino experiment to be run again,” BBC News, 28 October 2011; y muchos otros.
Por cierto, las figuras que ilustran esta entrada están extraídas del artículo de Hervé Bergeron, “About Statistical Questions Involved in the Data Analysis of the OPERA Experiment,” ArXiv, 24 Oct 2011. El artículo presenta un análisis estadístico del posible error en la determinación de los frentes de los paquetes de neutrinos y afirma que dicho error es mayor de 60 ns, por lo que la interpretación de que los neutrinos son superlumínicos no es consecuencia de los datos experimentales medidos por los físicos del experimento OPERA (que afirman que el error es menor de 5 ns). Ya sabéis que a mí esta es la explicación es la que más me gusta (y que me parece la más razonable) para el resultado observado por OPERA. Repito lo que ya he dicho varias veces en este blog, como los datos usados para calcular el frente de los trenes de neutrinos tienen un error de 50 ns, no me parece razonable medir una diferencia entre dos frentes (el de protones y el de neutrinos) de solo 60 ns.
Para los más despistados y que aún sigan leyendo esta entrada, os recuerdo como iba el experimento OPERA. El acelerador de protones SPS se utiliza como paso previo para acelerar los protones que se inyectan en el túnel del LHC en el CERN. Este acelerador está diseñado para poder enviar un chorro de protones dirigido hacia un experimento llamado CNGS (CERN to Gran Sasso). El paquete de protones incide sobre un blanco de grafito donde se producen mesones de alta energía (piones y kaones). Estos mesones se emiten en múltiples direcciones pero algunos se dirigen hacia hacia un túnel vacío de 1 km de longitud donde decaen en partículas de menor energía emitiendo neutrinos muónicos. Algunos de estos neutrinos muónicos se dirigen hacia Gran Sasso, cerca de Roma, donde unos poquitos son detectados por el experimento OPERA. Los protones del paquete emitido por SPS son contados antes de chocar contra el blanco de grafito y se determina el momento en que han sido emitidos (éste es el instante de salida de los neutrinos con un error de menos de 1 ns). Los piones y kaones son contados tras salir del túnel vacío y detenidos en unas paredes especiales para que no produzcan nuevos neutrinos en dirección hacia Gran Sasso. Tras recorrer unos 730 km (desde SPS son unos 732 km) los neutrinos llegan a Gran Sasso (cerca de Roma) donde se detecta un paquete de neutrinos muónicos de alta energía y se determina el momento en el que han llegado (con un error de unos 2 ns) ajustando su distribución con la de los protones medidos en el CERN. El paquete mide unos 10000 nanosegundos y se ha observado que los frentes delantero y trasero están adelantados unos 60 nanosegundos respecto al momento esperado si se propagaran a la velocidad de la luz. Como resultado parece que los neutrinos han viajado más rápido que la luz. En mi opinión (y en la de muchos otros físicos, por eso OPERA va a repetir el experimento con pulsos más cortos), el error mayor en este experimento se encuentra en la medida del instante de llegada de ambos frentes del tren de neutrinos, el delantero y el trasero, ya que su forma (ver las figuras que abren esta entrada) ha de ser ajustada con la forma del tren original de protones y como hay muchísimos neutrinos que no son detectados se produce un cambio importante en la forma de dichos frentes.
El ajuste realizado por OPERA ha tratado de evitar el efecto del cambio de forma de los frentes utilizando un procedimiento ingenioso. Ciertas características del paquete de protones se han observado también en el paquete de neutrinos, lo que permite ajustar dichas características entre ambos paquetes, sin necesidad de ajustar los frentes. Según los físicos de OPERA este ajuste se puede realizar con un error de pocos nanosegundos, con lo que la medida del adelanto de los neutrinos en 60 nanosegundos es muy fiable (hasta 6 sigmas de confianza estadística). Sin embargo, se han levantado muchas dudas sobre el procedimiento (algunos físicos opinan que el resultado tiene una fiablidad estadística de como mucho 4 sigmas). Quizás ajustar estas características no sea estadísticamente fiable ya que no hay un buen modelo teórico para explicar dichas características (una crítica que también he leído en varios foros) y utilizando solamente dos extracciones de datos es posible que la coincidencia de las características sea accidental (o que algunas sean accidentales, pero no sabemos cuáles).
En resumen, el problema de medir los frentes del tren de neutrinos utilizando como referencia los del tren de protones requiere lidiar con un gran problema, los frentes pueden haber cambiado de forma durante el trayecto de los neutrinos. La mejor solución es utilizar trenes de protones muy cortos (aunque entonces se medirán muy pocos neutrinos en Gran Sasso) y eso es lo que se está estudiando ahora mismo en la colaboración OPERA. A finales de noviembre sabremos qué resultados han obtenido. Ya os mantendré informados en este blog en cuanto haya nuevas noticias.
Francis
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