La supuesta detección de velocidades superlumínicas de los neutrinos

Gaston E. Giribet. Departamento de Física, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires y CONICET.

El Laboratorio Nacional Gran Sasso de Italia anunció el pasado 23 de septiembre la detección de partículas que, aparentemente, tendrían una velocidad mayor a la de la luz. Se trata de las partículas llamadas neutrinos, las cuales se conocen desde hace ya varias décadas, pero de las cuales hemos aprendido mucho recién en los últimos años.

La existencia de los neutrinos fue predicha en la década de 1930 por W. Pauli, y éstos fueron observados recién a mediados de la década de 1950. Hace tan solo una década que se consiguió evidencia significativa de que los neutrinos tienen masa (durante mucho tiempo se creyó que no era así) y que debido a la pequeñísima masa que tienen (a lo sumo unos pocos electronvoltios, i.e. cerca de una milmillonésima parte de la masa de un átomo de hidrógeno) se comportan de manera muy curiosa, cambiando sus propiedades con alternancia, oscilando su identidad a medida que viajan.

Y como si este deambular esquizofrénico no fuera ya suficiente para merecer nuestra sorpresa, se suma hoy el notable anuncio de los científicos en el Gran Sasso. Si sus mediciones resultaran ciertas, algunos neutrinos viajarían más rápidamente que la luz, excediendo la velocidad de ésta en una parte en cienmil. La forma en la que los físicos dicen haber medido este efecto es sencillo de explicar, aunque muy difícil de implementar experimentalmente dada la gran cantidad de detalles a los que es menester atender: los físicos del laboratorio italiano se disponen a medir con gran exactitud la distancia recorrida por un rayo de neutrinos y medir también el tiempo empleado en recorrer dicha distancia. Luego, la velocidad a la que los neutrinos viajan se obtiene, como sabemos desde el preescolar, al dividir la distancia por el tiempo empleado en recorrerla.

Los neutrinos son partículas que interaccionan muy débilmente con la materia, razón por la cual es imposible evitar que rayos de estas partículas escapen tras las paredes de los aceleradores de partículas como producto residual de tales experimentos. Los físicos, lejos de desaprovechar esos neutrinos escapistas, aprovechan los rayos para realizar otros experimentos y entender así sus propiedades. De hecho, fue este el truco empleado para detectarlos en los 50s. Y es esto lo que ocurre también con los neutrinos producidos en el acelerador del CERN, en la frontera franco-suiza.

Luego de abandonar los detectores de muones del CERN, los neutrinos producidos allí viajan cerca de 732 kilómetros hasta la cordillera de los Apeninos, donde son detectados por el experimento llamado OPERA, que está ubicado bajo 1400 metros de piedra, en el Laboratorio Nacional Gran Sasso de Italia.

Debido a la mencionada propiedad de interaccionar débilmente con la materia, los neutrinos ven al macizo Gran Sasso casi transparente, y es esa la razón por la que el experimento se encuentra en las profundidades, cobijado por la piedra, donde prácticamente sólo los neutrinos pueden llegar. Cabe mencionar que no es esta la primera vez que se observa este tipo de comportamiento super-lumínico de los neutrinos. Resultados similares habían ya sido obtenidos por el experimento denominado MINOS, ubicado en Medio Oeste de los Estados Unidos. No obstante, el grado de exactitud de OPERA es mucho mayor y es esto lo que hace tan importante el anuncio.

También sería necesario explicar cómo el hecho de que estos neutrinos producidos en el CERN y detectados en el Gran Sasso superen la velocidad de la luz no entra en tajante contradicción con las observaciones de neutrinos provenientes de supernovas lejanas, como es el caso de la supernova SN1987a cuya emisión de anti-neutrinos fue detectada en el momento esperado, en concordancia con los modelos de evolución estelar. Los neutrinos son emitidos pocas horas antes del estallido de luz en una supernova de esas características, y los neutrinos de SN1987a fueron observados precisamente con esa antelación, y no una mayor, a la emisión de luz asociada. Si aquellos neutrinos producidos en la explosión SN1987, acaecida a una distancia de 168.000 años luz de la tierra, hubieran tenido la velocidad que se les adjudica a los neutrinos italianos, entonces habrían aquéllos arribado a la tierra varios años antes.

Ahora bien, ¿por qué sería tan importante si se descubriera que una partícula diminuta y reticente a interaccionar con la materia viaja más rápido que la luz? La respuesta es que un descubrimiento de esta índole pondría en tela de juicio uno de los pilares fundamentales de la física: la existencia de partículas que viajen más rápidamente que la luz está en tajante contradicción con la teoría de la relatividad especial de Einstein, la cual establece la velocidad de la luz como un límite infranqueable. Violar dicho límite representaría una crisis fundamental en la física teórica ya que llevaría en germen el problema de poner en riesgo la noción de causalidad.

Es así como si los resultados del experimento italiano llegaran a ser confirmados, sería necesario rever de cuajo varios aspectos fundamentales de la física que conocemos. No obstante, en estos casos la actitud que prevalece en la comunidad científica es siempre la cautela, y aún más en este caso. Lo más probable es que la supuesta observación de velocidades super-lumínicas de los neutrinos en el Gran Sasso se deba, en realidad, a algún error sistemático del experimento. Es por esto necesario que otros laboratorios confirmen las mediciones de manera independiente, y que se evalúe si no se ha cometido ningún error en el experimento efectuado ni en la interpretación del mismo.

No sería, pues, la primera vez que la teoría de la relatividad saliera triunfante luego de haber sido desafiada.

Versión ampliada de *¿Einstein se equivocó?*, por Gaston Giribet, Revista Noticias Nº 1815.

Actualización - 19 de Marzo de 2012 - Después de que OPERA reconociera la existencia de errores, el experimento ICARUS informa que los neutrinos viajan a la velocidad de la luz. Los resultados están en: http://arxiv.org/pdf/1203.3433v1.pdf Measurement of the neutrino velocity with the ICARUS detector at the CNGS beam The CERN-SPS accelerator has been briefly operated in a new, lower intensity neutrino mode with ~10^12 p.o.t. /pulse and with a beam structure made of four LHC-like extractions, each with a narrow width of ~3 ns, separated by 524 ns. This very tightly bunched beam structure represents a substantial progress with respect to the ordinary operation of the CNGS beam, since it allows a very accurate time-of-flight measurement of neutrinos from CERN to LNGS on an event-to-event basis. The ICARUS T600 detector has collected 7 beam-associated events, consistent with the CNGS delivered neutrino flux of 2.2 10^16 p.o.t. and in agreement with the well known characteristics of neutrino events in the LAr-TPC. The time of flight difference between the speed of light and the arriving neutrino LAr-TPC events has been analysed. The result is compatible with the simultaneous arrival of all events with equal speed, the one of light. This is in a striking difference with the reported result of OPERA that claimed that high energy neutrinos from CERN should arrive at LNGS about 60 ns earlier than expected from luminal speed.