Neutrinos

Neutrinos más rápidos que la luz: ¿cómo se calcula la velocidad?

Marco Delmastro es un físico de partículas en el CERN en Ginebra en el experimento ATLAS. En línea tiene un blog, Borborigmi, y una página en inglés con un resumen de sus publicaciones científicas.

Estaba muy inseguro sobre qué escribir después de leer la preimpresión de OPERA, y especialmente después de asistir al seminario [del 23 de septiembre] que ilustró la medición de la velocidad aparentemente superlumínica de los neutrinos. No estaba seguro porque, como era de esperar, tener los detalles de la medición a menudo provoca más preguntas que respuestas en la cabeza de un físico experimental. Algunas de las preguntas fueron hechas por la audiencia al orador inmediatamente después del seminario, pero no tuvieron respuestas completas, satisfactorias y profundas, lo que es normal al final de un seminario. Para reportar más preguntas que él respondió, me imagino que aquellos de ustedes que esperan una iluminación segura y definitiva podrían estar decepcionados. Como si esto no fuera suficiente, muchos aspectos de la medida son realmente bastante técnicos, y puede resultar aburrido o difícil discutir sobre ellos. Aunque probablemente es en esos mismos tecnicismos donde acecha la solidez o la fragilidad del resultado.

VELOCIDAD ¿Cómo mide la ÓPERA la velocidad de los neutrinos que se envían desde el CERN a los Laboratorios Gran Sasso? La respuesta a esta pregunta es trivial a primera vista. La velocidad de un objeto que se mueve a una velocidad constante puede medirse con un enfoque clásico, haciendo que viaje una distancia conocida y midiendo su tiempo de viaje. La velocidad es igual a la distancia dividida por el tiempo, y eso es todo. El problema, especialmente para las mediciones de objetos que se mueven muy rápido, es que hay que elegir una distancia muy grande que se pueda medir con precisión, y ser igualmente preciso en la medición del tiempo de viaje. ¿A qué distancia? ¿Qué tan preciso?

¿Cuál es la distancia entre Cern y Gran Sasso? ¿Cómo empieza el cronómetro que toma el tiempo de la carrera de neutrinos? ¿Cómo se hacen los neutrinos? Vídeos, reflexiones y opiniones de expertos sobre el descubrimiento que promete revolucionar la ciencia.

Los Laboratorios Nacionales de Gran Sasso (LNGS) están a unos 730 km del punto del CERN donde comienza el haz de neutrinos. La OPERA afirma haber medido esta distancia con una precisión de 20 centímetros. Es decir, que la distancia que recorren los neutrinos es exactamente 730.534,61 ± 0,20 metros. ¿Cómo se hace esta medición? Básicamente, con las mediciones geodésicas, que de hecho, al menos en el estado de la técnica, pueden garantizar esta precisión incluso en distancias tan largas.

El problema, sin embargo, es que la Ópera se coloca dentro de la cueva bajo el Gran Sasso, por lo que no es posible ponerle un teodolito. La mayor fuente de incertidumbre sobre la distancia CERN-LNGS se debe, por lo tanto, a la extrapolación de la distancia de la sección subterránea final, que se mide en el túnel del Gran Sasso con métodos tradicionales (como en las obras de construcción de carreteras) triangulando aproximadamente cada 2 metros. Los autores afirman que pueden confiar en esta última medición con la precisión mencionada, pero obviamente [durante el seminario] se plantearon objeciones. Por ejemplo, se planteó la cuestión de los efectos de las mareas en esta medida. De hecho, la atracción lunar cambia la longitud del camino deformando la corteza terrestre. En promedio, estas variaciones se anulan entre sí, ya que las mediciones de neutrinos se realizan durante largos períodos. El problema potencial es que la medición de la distancia se lleva a cabo, en cambio, en tiempos mucho más cortos, y es posible que se esté midiendo en un momento de máxima o mínima deformación asociada a las mareas. El portavoz del experimento] argumentó tercamente que las mediciones del último tramo subterráneo se habían repetido varias veces en diferentes momentos, incluso bloqueando el tráfico del túnel [la referencia es a los túneles de los Laboratorios], y que daban resultados compatibles.

Ciertamente, alguien se opuso, podrían estar compatibilmente equivocados, si siempre se hicieran de la misma manera. Por lo tanto, se necesitaría una forma independiente de medir la distancia CERN-LNGS, e incluso alguien llegó a proponer la perforación de un pozo por encima de la ÓPERA, para poner un teodolito en la superficie en correspondencia con el detector (parece que, en la actualidad, nadie es capaz de garantizar la verticalidad de un pozo perforado a más del 5%, lo que a una profundidad de un kilómetro haría 50 metros de incertidumbre).

La medición del tiempo de viaje de los neutrinos entre el CERN y el Gran Sasso es aún más complicada. Básicamente, dado que no existe un sistema inteligente para hacer que los dos laboratorios hablen en directo, la hora de la emisión de neutrinos en el CERN y su llegada al Gran Sasso se registran de forma independiente, y el cálculo de la hora se puede hacer asegurando la perfecta sincronización de los relojes de ambos laboratorios. La forma más precisa de sincronizar dos relojes a una distancia de 730 km es usar dos receptores GPS. Lástima que el sistema GPS normal garantice una precisión de sincronización no superior a 100 nanosegundos [mil millonésimas de segundo], demasiado para el tipo de medición que se quiere hacer. El CERN y la OPERA se han esforzado mucho por reducir la precisión de la sincronización a un puñado de nanosegundos, interconectando las antenas GPS de ambos laboratorios con relojes atómicos de cesio y un complejo sistema de medición calibrado por dos institutos de metrología independientes. Los detalles] son realmente complejos, pero en general creo que se puede confiar en la exactitud declarada.

LOS RELOJES Tener los dos relojes óptimamente sincronizados no resuelve el problema de la medición del tiempo de viaje, es sólo el requisito previo mínimo para afrontarlo. La cuestión es que no todos los neutrinos emitidos en el CERN llegan al Gran Sasso: por muy bien colimado que esté el haz se abre cónicamente a lo largo del camino y cubre un área mucho más amplia que el detector de OPERA al llegar. Por lo tanto, no es posible asociar un evento registrado por la Ópera con un neutrino preciso producido en el CERN y, por lo tanto, medir el tiempo evento por evento. Lo único que se puede hacer es una medición colectiva del tiempo medio que tardan todos los neutrinos en llegar a la ÓPERA. [Continúa – Artículo completo en Borborigmi]

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