23 oct. 2011

Cautela sobre los neutrinos que son más veloces que la luz

La comunidad científica prefiere esperar antes de cuestionar la Teoría General de la Relatividad que sostiene la física moderna


La comunidad científica ha reaccionado con cautela ante el descubrimiento por científicos europeos de que los neutrinos viajan más deprisa que la luz. Este descubrimiento, si finalmente es verificado, cuestionaría la Teoría General de la Relatividad y los fundamentos de la física actual. Sin embargo, tardaremos años en saber si los neutrinos alcanzan esas velocidades en otros experimentos que se van a desarrollar en Japón y Estados Unidos. Por Eduardo Martínez.



Los neutrinos sacan una ventaja de 20 metros a los fotones al recorrer los 730 kilómetros. CERN.

Después de décadas sospechando que los neutrinos podían superar la velocidad de la luz, científicos europeos han podido establecer, después de seis meses de experimentos con más de 15.000 neutrinos, que efectivamente es así. La comunidad científica ha reaccionado con cautela ante un descubrimiento que cuestiona las bases de la física moderna.

Un equipo de físicos agrupados en torno al proyecto Opera, que estudia las oscilaciones de neutrinos, descubrió que los neutrinos muónicos producidos en el CERN de Ginebra, enviados por debajo de la superficie terrestre en forma de haces de partículas hasta un detector situado en Italia, bajo el Gran Sasso, a 730 kilómetros de distancia de Ginebra, alcanzaron una velocidad superior a la de la luz en el vacío.

El avance de estas partículas, respecto a la luz, fue de 60 nanosegundos, lo que significa que cuando los neutrinos llegaron a Gran Sasso, la luz estaría todavía 20 metros detrás de ellos.

Aunque estos resultados requieren todavía más comprobaciones, los protagonistas del descubrimiento señalan que el efecto observado, sea cual sea su origen, es real y no puede deberse a fluctuaciones estadísticas en las mediciones.

En un comunicado emitido por el CNRS de Francia, el investigador Dario Autiero explica: Estas medidas presentan pocas dudas y una estadística tan consistente que nos proporcionan unos datos muy fiables. De todas formas, esperamos contrastar nuestras mediciones con otras experiencias, ya que nada en nuestros resultados nos permite explicar por qué parecemos observar neutrinos con exceso de velocidad.

Antonio Ereditato, de la Universidad de Berna y portavoz de Opera, añade: este resultado fue totalmente inesperado. Muchos meses de investigación y comprobaciones no nos han permitido identificar un efecto instrumental que pudiera explicar los resultados de nuestras mediciones.

Partículas fantasmagóricas

Los neutrinos se forman en el interior de las estrellas, cuando el hidrógeno se transforma en helio. Apenas reaccionan con la materia, por lo que su presencia resulta casi indetectable.

Aunque billones de neutrinos atraviesan nuestros cuerpos cada segundo, debido a su débil masa, a su ausencia de carga eléctrica y de su débil interacción con la materia, pueden atravesar la Tierra de un extremo a otro sin dejar huella alguna de su paso, lo que ha obsesionado a los científicos durante casi un siglo.

En el caso del experimento de Opera, un detector subterráneo de neutrinos fue construido en los montes Abruzos, en Italia, con la misión de observar un haz de neutrinos producidos por el laboratorio de física del CERN, en Suiza.

Los fotones, que son las partículas de luz, recorren la distancia que separa esos dos puntos en 2,4 milisegundos. Los neutrinos, sin embargo, van más deprisa, sacando una ventaja de 20 metros a los fotones, invirtiendo 60 nanosegundos menos para recorrer los 730 kilómetros.

Para validar las observaciones, los protagonistas del experimento se apoyaron en especialistas en metrología del CERN. Las distancias y los tiempos fueron verificados con ayuda de satélites y relojes atómicos, hasta alcanzar un margen de error de 20 centímetros sobre los 730 kilómetros que separan el CERN del Gran Sasso, así como una precisión de 10 nanosegundos sobre los 60 que han provocado la anomalía.

Los investigadores, según Le Monde, han actuado de forma ejemplar, al exponer sus descubrimientos abiertamente a la valoración de sus colegas mediante la publicación de un artículo en un sitio especializado.

Posible revolución en la física

Según explica el físico francés Yves Sacquin, ningún teórico había previsto nunca nada así. Los investigadores observaron una anomalía al analizar sus datos y pensaron que debía haber un error. Hicieron verificaciones para encontrar el origen del fallo, pero no encontraron nada. Por eso se decidieron a pedir a la comunidad científica que contrastara el experimento para descubrir dónde podía estar la anomalía.

Si estos resultados fueran confirmados por otros experimentos, la velocidad de la luz, de 299.792.458 metros por segundo, perdería el récord absoluto e infranqueable, afectando a los fundamentos más básicos de la física moderna: los cambios que puede provocar un resultado de este tipo en las leyes físicas pueden ser resumidos como que el espacio-tiempo posee una estructura más compleja que la que se asume en la física actual, explica Dario Autiero (ver video).


Wired ya ha avanzado algunas hipótesis de los posibles fallos del experimento de Opera, pero será preciso esperar otros experimentos con neutrinos, que se van a llevar a cabo en Japón (SuperKamiokande ) y Estados Unidos (MiniBoone ), en los próximos meses y años, para confirmar o desmentir las observaciones de los científicos europeos.

Escepticismo y cautela


De momento, la cautela predomina en la comunidad científica. De un lado, porque se conoce tan poco de los neutrinos, que es posible que algo se haya escapado en el experimento. De otro lado, no es la primera vez que un descubrimiento con neutrinos resulta fallido: en los años 80 muchos equipos creyeron haber encontrado un neutrino más pesado de lo previsto, pero luego se descubrió que todo se debió a un error en el experimento.

Lo más difícil para la comunidad científica es conjugar este descubrimiento con constataciones validadas múltiples veces de la Teoría General de la Relatividad y que contradicen lo que se ha observado en esos 730 kilómetros: la conocida ecuación E=mc2, que une la energía, la masa y la velocidad de la luz en el vacío (la c de la ecuación) debería ser replanteada. Todos, incluso los científicos de Opera, se muestran prudentes al respecto.

Scientific American ya advierte sin embargo que, si los resultados de Opera se repiten en uno de estos experimentos paralelos, las consecuencias científicas serían considerables.



Los neutrinos amenazan la Relatividad

De confirmarse el experimento de OPERA, quedaría invalidado uno de los dos principios de la teoría einsteniana



Los investigadores de OPERA han llegado a la conclusión de que la velocidad de los neutrinos supera a la de la luz en un 0,00025%. De confirmarse más ampliamente los resultados del experimento, eso supondría la invalidez de al menos uno de los dos principios en los que se basa la teoría de la relatividad einsteniana y una verdadera revolución en física fundamental de insospechadas consecuencias, aunque no causará ningún cambio, al menos por ahora, en las aplicaciones de la física, incluso en las más sofisticadas. Por José L. Sánchez Gómez.


Los neutrinos sacan una ventaja de 20 metros a los fotones al recorrer los 730 kilómetros. CERN.
Los recientes resultados del experimento OPERA, que –de ser ciertos– indicarían que los neutrinos pueden viajar a una velocidad superior a la de la luz en el vacío, han convulsionado el mundo de la física.

En efecto, este hecho supone (repito, de ser cierto) que la teoría de la relatividad especial de Einstein no es absolutamente verdadera y que, por tanto, alguno de los postulados en los que se basa no es correcto.

Pero antes de seguir no está de más advertir, como ya han hecho bastantes voces autorizadas (véase, por ejemplo, el artículo Inicial de Eduardo Martínez “Cautela sobre los neutrinos que son más veloces que la luz”, que bien podría haber algún error experimental, de tipo sistemático, inadvertido y que, por consiguiente, estos resultados han de esperar a ser confirmados por otros experimentos (uno americano y otro japonés parecen ya estar en proyecto), antes de asumir sus revolucionarias implicaciones .

Los neutrinos son las partículas elementales más extrañas, al menos de las descubiertas experimentalmente y no sólo postuladas. Se presentan en tres tipos diferentes, que en la jerga científica se conocen como “sabores” (de flavour, en inglés): neutrino electrónico (o del electrón), neutrino muónico (o del muón) y neutrino tauónico (o del tauón).

El electrón (e-), el muón (µ-) y el tauón (τ-) – junto con sus correspondientes neutrinos– constituyen las tres familias leptónicas (partículas que no sufren la interacción fuerte); estas tres partículas tienen propiedades muy parecidas, salvo la masa: el muón es unas 200 veces más pesado que el electrón y el tauón unas 17 veces más pesado que el muón.

En el mundo “ordinario”, de objetos compuestos de átomos, sólo está presente la primera familia (electrón y neutrino electrónico), pero las tres son de gran importancia en la física de partículas elementales y desempeñaron un relevante papel en la evolución del universo primigenio.

Extrañas propiedades
La rareza de los neutrinos radica en sus propiedades. Tienen una masa pequeñísima; de hecho, hasta hace unos años se creía que no tenían masa, pero ahora se sabe que la tienen, aunque la del más pesado de ellos, el neutrino tauónico, es seguramente más de un millón de veces menor que la del electrón.

Se postula que las dimensiones extras de la teoría de supercuerdas tienen esta forma. Fuente: Wikimedia Commons.
Se postula que las dimensiones extras de la teoría de supercuerdas tienen esta forma. Fuente: Wikimedia Commons.
Por otro lado, los neutrinos tienen espín, pero no momento magnético, ya que no poseen carga eléctrica.

Además, oscilan entre ellos, es decir, un neutrino, digamos, electrónico, tiene una cierta probabilidad de convertirse en uno muónico a lo largo del tiempo.

Y lo que es muy importante, apenas interactúan con la materia (trillones de veces menos que la luz, por ejemplo).

Tales propiedades convierten a estas partículas en una verdadera rareza cercana al misterio. No obstante, los neutrinos desempeñan un importante papel en astrofísica y cosmología, sobre todo en la producción de energía en las estrellas y en los mecanismos de producción y emisión de elementos pesados (a partir del litio) que tiene lugar en la explosión de una supernova y que resultan básicos, por ejemplo, en la composición de muchos planetas, entre ellos la Tierra.

Aspectos generales del experimento
Los aspectos generales del experimento OPERA son muy conocidos por haber sido publicados en periódicos y revistas de divulgación, así como en numerosos sitios de Internet. Recordemos lo esencial.

Un haz de neutrinos muónicos bien colimado producido tras la colisión de protones de un acelerador del CERN de Ginebra con materia fueron enviados en línea recta, atravesando la tierra (lo que se puede hacer debido a que los neutrinos prácticamente no interactúan con la materia), hasta el detector OPERA, situado en el laboratorio subterráneo del Gran Sasso, en Italia.

La distancia recorrida fue de 730 km aproximadamente. Empleando sistemas de muy alta precisión para medir la distancia recorrida por los neutrinos y el tiempo de vuelo correspondiente, los investigadores de OPERA llegaron a la conclusión de que la velocidad de estos superó a la de la luz en un 0,00025%.

Aunque esta cantidad es pequeña, su importancia –de ser correcta- es enorme, desde un punto de vista estrictamente básico, como se verá a continuación.

Implicaciones y posibles explicaciones

¿Qué implicaría la validez de los resultados de OPERA? De entrada, la invalidez de al menos uno de los dos principios en los que se basa la teoría de la relatividad einsteniana: principio de causalidad y no existencia del éter, entendido en el sentido de un sistema inercial privilegiado (técnicamente, esto se conoce como invariancia bajo transformaciones de Lorentz o simplemente “invariancia Lorentz”).

El primero parece irrenunciable, no ya para la relatividad, sino para la física y la ciencia en general; el segundo principio es propio de la relatividad y una de sus consecuencias es la constancia de la velocidad de la luz en el vacío, es decir, que esta no depende del sistema (inercial) en que se mida y es la velocidad máxima alcanzable.

Si no queda más remedio que elegir, lo lógico es abandonar este último principio para salvar la causalidad. De todos modos, esto implicaría una verdadera revolución en física fundamental, de insospechadas consecuencias, aunque no causará ningún cambio, al menos por ahora, en las aplicaciones de la física, incluso en las más sofisticadas.

Ya han surgido teorías más o menos exóticas que intentan explicar la posible velocidad superlumínica de los neutrinos. De ellas, la más curiosa y con base teórica relativamente firme es la que involucra más de tres dimensiones del espacio.

En términos poco rigurosos pero ilustrativos, los neutrinos podrían haber viajado utilizando un “atajo” en alguna dimensión extra, por lo que podrían llegar al detector antes de lo que lo hubiera hecho la luz sin necesidad de superar la velocidad de esta en el espacio ordinario tridimensional, pues la luz sólo se mueve en este espacio.

La existencia de dimensiones extra del espacio es algo “natural” en la moderna teoría de cuerdas (supercuerdas) de las partículas elementales, pero en todos los modelos actuales de supercuerdas las únicas partículas que en principio podrían desplazarse en alguna de estas dimensiones son lo gravitones, hipotéticas partículas (aún por descubrir) que serían los transmisores cuánticos de la interacción gravitatoria, un papel análogo hasta cierto punto al desempeñado por los fotones en la interacción electromagnética.

Nadie había imaginado antes que los neutrinos pudieran viajar fuera del espacio ordinario, e incorporar esto a la teoría de cuerdas no parece una tarea fácil y, lo que es peor, libre de contradicciones internas o con resultados experimentales bien establecidos.

Esperemos la confirmación (o refutación) de los resultados de OPERA. Su confirmación sin duda comportaría una auténtica revolución en física comparable a la producida por la relatividad y la física cuántica a principios del siglo pasado.

Mientras tanto, como dicen los americanos, stay tuned (manténgase a la escucha).

José L. Sánchez Gómez es Catedrático de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid.


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