Por qué los neutrinos de OPERA no pueden ser taquiones

Fuente: Francis (th)E Mule

Figura 13 del artículo de la colaboración OPERA = http://arxiv.org/abs/1109/1109.4897

Según la relatividad de Einstein, aplicada a los taquiones, partículas con una masa en reposo negativa que se mueven a una velocidad mayor que la luz, conforme la energía de un taquión crece, su velocidad decrece y se aproxima de forma asintótica a la velocidad de la luz (por encima). Los famosos neutrinos superlumínicos observados por el experimento OPERA tienen una velocidad constante, que casi no depende de la energía; más aún, la velocidad crece ligeramente con la energía, en lugar de decrecer. Por tanto, podemos afirmar con rotundidad que los neutrinos de OPERA no son taquiones. Pueden ser partículas superlumínicas exóticas, pero no pueden ser taquiones.


La energía de una partícula tiene dos componentes, la energía en reposo, llamada masa, y la energía en movimiento, llamada energía cinética, que depende de la velocidad de la partícula. Las medidas cosmológicas de la masa de los neutrinos indican que su masa en reposo es muy pequeña, luego para neutrinos de alta energía toda su energía es cinética; además, a mayor velocidad, mayor energía. Si un experimento mide la velocidad de un grupo de neutrinos que tienen cierta energía y la velocidad de otro grupo emitidos por la misma fuente que tienen el triple de dicha energía, dicho experimento tiene que observar que la velocidad de ambos grupos de neutrinos es diferente. Los del segundo grupo, los más energéticos, tienen que ser más rápidos.
El experimento OPERA ha medido la velocidad de neutrinos emitidos en el CERN que alcanzan un observatorio en Gran Sasso, en el centro de Italia, tras recorrer unos 730 km en línea recta por el interior de la Tierra. Todos los neutrinos han sido emitidos por la misma fuente pero su energía se distribuye en un cierto intervalo con una media de 17 GeV (la energía en reposo (masa) de un protón es casi 1 GeV) [véase el lado derecho de la figura que abre esta entrada]. Los investigadores han separado los neutrinos observados en Gran Sasso en dos grupos, los que tienen energía menor de 20 GeV (con una media de 14 GeV) y los que tienen una energía mayor (con una media de 43 GeV) [véase el lado izquierdo de la figura que abre esta entrada]. Para su sorpresa y para la sorpresa de todos los que lean esto, han observado que la velocidad de los neutrinos en ambos casos es idéntica (dentro de los márgenes de error considerados); una velocidad mayor que la velocidad de luz en el vacío, pero independiente de la energía de las partículas [de hecho, como se ve en el lado izquierdo de la figura que abre esta entrada, el punto medio crecio un poco en lugar de decrecer, pero una banda de error muy grande].
Según la relatividad de Einstein, aplicada a los taquiones, partículas con una masa en reposo negativa que se mueven a una velocidad mayor que la luz, conforme la energía de un taquión crece, su velocidad decrece y se aproxima de forma asintótica a la velocidad de la luz. Los datos experimentales de OPERA son inconsistentes con lo predicho para los taquiones según la teoría de la relatividad. Más aún, los resultados de estudios previos, en los que los neutrinos tienen menor energía, como en MINOS y las observaciones de neutrinos producidos por la supernova SN 1987A, complican aún más el asunto, pues requieren que la energía de los neutrinos depende de la velocidad de forma no monótona. Un sinsentido para cualquier físico.
Aberrón me entrevistó el pasado lunes porque iba a escribir un artículo sobre los neutrinos (“Agárrame esos neutrinos,” 28 sep. 2011) que apareció el miércoles en lainformacion.com. El artículo está muy bien y recomiendo su lectura a todos. Por teléfono traté de explicarle a Aberrón por qué tengo dudas sobre la estimación de los errores sistemáticos en el experimento de OPERA, en especial en relación a la medida del instante en el que salen los neutrinos. Sin posibilidad de garabatear en una hoja de papel, le puse como ejemplo la determinación del momento en que llega un tren a una estación y la diferencia que hay entre que se trate de un talgo o un AVE (recordad que tiene la forma del pico de un martín pescador). Fui incapaz de lograr que Aberrón se enterara de lo que quería decir, a veces una imagen vale más que mil palabras. Traté de ponerle como ejemplo la foto finnish en una competición de atletismo, pero creo que empeoré aún más la cosa. En la versión final de su artículo Aberrón se limitó a mencionar de pasada la foto finnish. Aunque puede que me repita una vez más, quizás una imagen vale más que mil palabras.

Figura 11, inferior-izquierda, del artículo de OPERA = http://arxiv.org/abs/1109/1109.4897

Mira esta figura. Verás clarísimamente que hay un desfase de unos 60 ns entre la curva roja y la curva imaginaria que une los puntos negros. ¿No lo ves? Vuelve a mirar la figura. Los picos de la curva roja también se ven muy claros en la curva imaginaria que une los puntos negros. ¡Cómo que no lo ves! Los científicos de la colaboración OPERA dicen que se ve clarísimo. Bueno, … a lo mejor es un problema de escala, de la escala del eje de abscisas. Lo mejor será usar el efecto lupa. Los científicos de OPERA han hecho un zoom de los frentes trasero y delantero de la figura anterior. Su resultado es la siguiente figura.

Figura 12, abajo, del artículo de OPERA = http://arxiv.org/abs/1109/1109.4897

Esta figura es la que se ha utilizado para medir la diferencia de 60 ns entre la curva roja y la curva imaginaria que pasa por los puntos negros. ¿Ves ahora la diferencia de 60 ns entre ambas curvas? ¡Cómo que no! Mira bien, anda, vamos. Hay zonas donde la diferencia parece más pequeña que 60 ns y zonas donde parece mayor. Pero el ajuste obtenido por la colaboración OPERA indica que la diferencia total entre ambas curvas es de 60 ns. ¿Lo ves ahora? Mira bien la banda de error horizontal de los puntos negros, observa que tiene una anchura de 50 ns (el binning de los datos que ha utilizado la colaboración OPERA). ¿Qué pasaría si los centros de los puntos gordos estuvieran desplazados 25 ns a la izquierda o a la derecha? En mi opinión habría un cambio en las curvas que podría hacer que la diferencia de 60 ns cambie bastante. Me gustaría poder hacer un análisis estadístico de estos datos, pero el artículo de OPERA incluye la figuras pixeladas y en muy baja resolución (si fueran figuras PS generadas por Matlab yo podría extraer los datos originales con precisión).
A mí me molesta mucho esta figura desde que el viernes 23 de septiembre en la conferencia del CERN una de las personas del público preguntó por esta cuestión al conferenciante y éste salió por la tangente. Mis dudas sobre el resultado del experimento OPERA nacieron en ese momento y se ratificaron cuando leí el artículo. Conforme pasa el tiempo se refuerzan cada vez más. Todo apunta a errores sistemáticos…
Por cierto, uno de los miembros senior de OPERA (la Dra. Frau Hagner), que no ha querido firmar el famoso artículo, ha sido entrevistada por un periódico alemán (FAZ). Bee nos lo ha traducido del alemán al inglés en “FAZ: Interview with German member of OPERA collaboration,” Backreaction, October 2, 2011. La entrevista no tiene desperdicio, aunque muchos la calificarán de sensacionalista. Según Hagner si se hubiera esperado dos meses más, se podría haber repetido el análisis del experimento de forma independiente, confirmando o refutando el resultado de la propagación superlumínica. ¡Toma ya!

Frau Hagner, usted es uno de los líderes del grupo alemán del experimento OPERA, pero si se busca su nombre en el artículo (preprint), no aparece.
Una docena de colegas y yo hemos decidido no firmar el artículo (preprint). No tengo dudas sobre el experimento, solo creo que es prematuro que se hayan hecho público los resultados. Un resultado tan extraordinario como la propagación más rápido que la luz requiere que se hubieran hecho más pruebas. Pero entonces el artículo se hubiera retrasado unos dos meses. Algunos miembros de OPERA y yo misma hubiésemos querido que estas pruebas adicionales se hubieran hecho.
¿Qué tipo de pruebas?
Lo primero, un segundo análisis independiente. En física de partículas, si alguien cree que ha descubierto una nueva partícula o efecto, en general no hay un solo grupo analizando los datos sino varios. Y si todos obtienen el mismo resultado, entonces podemos estar convencidos de que es correcto. Este proceso no se ha hecho con OPERA.
¿Por qué no?
Porque no había tiempo. Un efecto como la propagación a una velocidad mayor que la luz requiere controles muy cuidados. Podría haber un error en los programas de ordenador, por ejemplo. Sin embargo, la mayoría de los miembros de la colaboración han preferido una publicación rápida.

Sin palabras.