Todo comienza cuando ayer 22 de septiembre de 2011 se sube a Arxiv.org el paper “Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam” de Pasquale Migliozzi arXiv:1109.4897v1 [hep-ex].

Esquema del experimento OPERA

OPERA (acrónimo de Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) es un experimento del CERN diseñado para investigar el fenómeno de la oscilación de los neutrinos. Este experimento se sirve de un haz de gran energía de neutrinos muónicos llamado CNGS (recordemos que hay tres tipos de neutrinos: electrónicos, muónicos y tauónicos, cada uno asociado a los tres leptones respectivamente: electrón, muón y tau). Este haz producido en el Super Proton Synchrotron del CERN envía los neutrinos hacia el laboratorio LNGS situado a 730 kilómetros, en Italia.

Aparentemente, se han detectado neutrinos que han excedido la velocidad de la luz en el vacío. Algo que no está permitido por la relatividad especial. Se trataría, de ser cierto, de una violación de las leyes fundamentales de la física. Es por esto que se ha producido toda la tormenta informativa al respecto. Pensemos qué ocurriría de ser cierto que los neutrinos de verdad estuvieran viajando a mayor velocidad que “c”.

La relatividad especial dice que no es posible transmitir información física a mayor velocidad que la de la luz en el vacío. Es uno de sus postulados del cual se extraen muchas consecuencias. La relatividad se construye partiendo de esta afirmación como cierta, junto con el otro postulado que afirma que las leyes físicas no cambian dependiendo del observador. Son sus pilares y por tanto la teoría no puede probar que sean ciertos o falsos.

Esto en matemáticas sería equivalente a los axiomas. En matemáticas, si supones que un axioma es cierto entonces desarrollas una teoría y si no te lo crees y afirmas que es falso desarrollas otra. No pasa nada, y hace poco expliqué un ejemplo de esto.

Pero la Física tiene a la naturaleza por juez implacable, y si el postulado es falso entonces tus predicciones antes o después terminan con darse de bruces con la realidad. La relatividad es una teoría extremadamente versátil por su gran aplicabilidad. Esto es debido en gran medida a la sencillez de sus postulados. Todo lo que sabemos hasta la fecha es que las predicciones se cumplen con exquisita precisión. Esto no nos permite afirmar que los postulados sean ciertos, simplemente nos dice que son sumamente razonables. Si la relatividad se equivocara entonces los satélites GPS acumularían más de 10 km de error en la posición por día, por ejemplo. Y los espectros atómicos no serían como son. Hay demasiadas evidencias a favor como para que lo primero que se piense sea que está equivocada y se tire un pilar fundamental. Antes hay que averiguar otras cosas.

Cuando un objeto con masa intenta acelerar hasta la velocidad de la luz necesita cada vez más energía para adquirir un tramo equivalente de velocidad. Cada vez cuesta más energía y el extremo es que hace falta infinita energía para llevar a un cuerpo masivo hasta la velocidad de la luz. Y nada, ni siquiera las partículas sin masa, lo pueden superar. Hay una gran diferencia entre aproximarse mucho a un límite y estar en ese límite.

Así, los neutrinos de gran energía del CNGS que llegaron a Italia unos 60 nanosegundos antes de lo esperado parecen ir no sólo a la velocidad de la luz, sino un poquito más rápido. La precisión en la medida de los 730 kilómetros de longitud del haz es de unos 20 centímetros. El exceso de velocidad es de 25 partes por millón, de la velocidad de la luz. No es sencillo de medir con un cronómetro y una regla. No funciona así, y es evidente que los investigadores han tenido que precisar mucho en sus medidas.

Para que quede claro que no se trata de olvidarse de la curvatura de la Tierra y del hecho de que los neutrinos siguen trayectorias rectilíneas sirva este gráfico, que se encuentra en la web del experimento OPERA:

Si esto fuera cierto sería posiblemente una revolución en la física como no se ve desde hace un siglo y habría que replantearse cosas muy importantes. Por eso es lógico primero tratar de descartar cualquier tipo de fallo experimental o interpretativo antes de lanzarse a demoler algo que todo lo que se ha visto durante un siglo dice que es correcto y con una precisión excelente.

Por eso, la comunidad de física de alta energía debe repetir este experimento utilizando otras técnicas para ver cómo de buenos son estos resultados. Sean o no ciertos, los teóricos y experimentales en altas energías estarán ahora mismo trabajando a destajo. Aquí hay que empezar planteándose dudas. ¿En qué han podido equivocarse los del experimento? ¿Qué otros fenómenos físicos podemos buscar que estén relacionados para poder hacer el experimento de otro modo? ¿Cuales serían las consecuencias si fuera cierto? Esto es mucho trabajo y muy emocionante sin duda.

Los propios autores del paper, se muestran más que cautos. Cualquier físico sabe que cuando en su experimento sale algo así, hay grandes posibilidades de que haya cometido alguna pifia. Por eso, los autores del paper no han querido pecar de optimistas y concluyen diciendo que rehúsan hacer valoraciones experimentales o teóricas hasta que se repita el experimento en las mismas condiciones por otros equipos.

A nivel teórico, este tipo de hallazgos experimentales suponen un trabajo inmenso para analizar qué puede habérsete quedado por el camino, cosas que se hayan podido obviar, errores en la medida y cosas así. No es lo mismo una medición con una dispersión estadística que con otra, esto puede implicar que el error sea comparable a la medida y entonces no sirva. Esto es muy delicado, trabajar con haces de partículas de alta energía no es como medir qué coche pasa primero por la meta.

Los investigadores han sido muy exhaustivos y han probado y comprobado todo lo que se les ha ocurrido, por eso al final piden que se repita de forma independiente, para ver otras posibilidades. Han sido muy cautos y creo que habría que preservar esa cautela, porque si ellos mismos que lo han hecho son los que piden cautela, el resto (nosotros los bloggers o los medios de comunicación o el resto del mundo) debería hacer lo propio.

Tengo que decir que personalmente esperaba que se tratara del típico error interpretativo que hacen los medios cuando se miden velocidades de fase superiores a la de la luz. Pero este caso es ligeramente diferente. Sí, se ha magnificado mucho la historia y se ha perdido la perspectiva, pero yo recomendaría acudir al paper directamente y no hacer valoraciones adicionales.

Pensar en qué podría pasar en la física si este límite no fuera tal excede mi imaginación y muy probablemente mis conocimientos, pero sin duda daría un vuelco tremendo a muchas cosas. Lo más probable y lo que cree todo el mundo ahora mismo es que haya sido fruto de algo que se ha quedado atrás a la hora de comprobar. Pero no lo sabremos mientras el experimento no se repita las veces que sea necesario.

Mientras tanto, el paper es la única fuente válida de información en este tema y habrá que esperar hasta que se termine de saber qué hay de cierto en todo esto. Podríamos estar ante la primera observación de algo nuevo. Algo que no necesariamente tendría por qué trastocar nada, porque podría ser algo exótico y desconocido. Pero es pronto para plantearse tales extremos. Lo mejor es ser prudentes. Yo (y creo que medio mundo) estoy al tanto de este asunto y comentaré cualquier novedad que vaya surgiendo.

NOTA: esta otra entrada “Neutrinos zurdos oscilantes e incluso estériles” complementa y profundiza más sobre neutrinos.

Actualización

Ha salido una nota de prensa del CERN: press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2011/PR19.11E.html, donde comentan el tema y de nuevo piden cautela ante todo.

Actualización

16:22 Sigue la rueda de prensa del CERN en webcast.web.cern.ch/webcast/

16:36 Están explicando cómo se obtiene la precisión en las medidas, la calibración de los equipos de medida y haciendo hincapié en la construcción de los detectores y de cómo garantizan la precisión del haz. Es lógico, dado que ahora mismo el mundo está preguntándose en qué punto se han equivocado

17:10 Bueno, turno de conclusiones. Un avance:

18:45 la conferencia terminó hace un rato, unas cuantas conclusiones:

Se ha medido la distancia de 731278.0 ± 0.2 metros entre el emisor de neutrinos de Ginebra y el receptor en Gran Sasso, 20 cm de error en 731 km y la medida de tiempo, tiene un error experimental de 10 nanosegundos frente a 60. No parece que haya errores y se nota que llevan tres años trabajando dándole vueltas a todo esto, no en vano casi la práctica totalidad de la conferencia ha sido esforzándose en explicar cómo han ido mejorando las medidas desde que empezaron en 2006.

Medir la distancia y tiempo con esa precisión es muy difícil y han tenido que quebrarse la cabeza con expertos en metrología para hacerlo. La medida temporal no es directa porque uno no puede hacer una foto y ver en qué momento cruzan la meta, es una medida estadística. El análisis y el tratamiento de errores estadísticos es parte fundamental de este trabajo.

21:00 link para ver la rueda de prensa en diferido: http://cdsweb.cern.ch/record/1384486.

¡Muchas gracias!