Neutrins, més ràpids que la velocitat de la llum?

Científics de la col·laboració OPERA han descobert en un estudi recent (http://arxiv.org/abs/1109.4897) que els neutrins (tipus de partícula elemental) viatgen més ràpid que la velocitat de la llum, concretament, 60ns -nanosegons- (0.00000006 segons) més ràpid. Sembla poquíssim, però molts dels aparells tecnològics d'avui en dia tenen una precisió molt més gran (o sigui, que poden mesurar de sobres aquesta quantitat -60ns-). De confirmar-se el resultat per altres experiments, o si més no, passar el vist i plau de la comunitat científica, seria un resultat espectacular, modificaria completament la nostra comprensió de l'univers, refutant per exemple la teoria de la relativitat d'Einstein, violant relacions de causa efecte (causalitat) o fins i tot, permetent que partícules viatgessin cap al passat!

Avui a les 16h hi ha hagut al CERN un seminari, on un respresentant de la col·laboració OPERA ha exposat els seus resultats, i ha acabat amb un munt d'aplaudiments i amb molts científics força convençuts de la veracitat de l'estudi. Ara bé, la feina no s'ha acabat, els científics d'OPERA seguiran millorant l'anàlisi, i a més, esperen un intens escrutini per part de la comunitat científica per verificar o descartar aquest resultat.

Els neutrins són partícules que interactuen molt poc amb la matèria, cada dia, milions de neutrins travessen la terra sense tocar-la! Aquest fet en fa molt difícil l'estudi, ja que es necessiten molts neutrins per detectar-ne almenys un. Ja fa uns anys es va descobrir que tenien massa observant oscil·lacions entre les diferents espècies de neutrins. Aquesta massa és minúscula, però no zero com prediu el model estàndard. I ara, tot sembla indicar que aquesta petita partícula ens torna a desmuntar una altra gran teoria, la relativitat.

Com se sap que el neutrí viatja més ràpid que la llum? Doncs molt fàcil v=d/t (velocitat=distància/temps). Si suposem que totes les partícules es mouen a la velocitat de la llum (v=c) podem saber quin és el temps (t) necessari per recórrer una distància (d) determinada. Si el temps que mesurem és més petit que el previst (suposant v=c) llavors vol dir que les partícules viatgen més ràpid (v>c).

Per fer-ho han utilitzat més de 16.000 neutrins que s'han llançat des del CERN (a Ginebra) cap al Gran Sasso (a Italià, prop de L'Àquila) entre el 2009 - 2011. La distància entre els dos punts l'han mesurat gràcies a un estudi geològic (realitzat en bona part, gràcies a GPS) que dona com a resultat una distància de 731.278m amb 20 cm d'error (a determinats llocs l'error era tant petit que van poder mesurar la deriva continental i vibracions del terreny de 7cm degut al terratrèmol de l'Àquila). Després, han mesurat el temps des què el neutrí surt del CERN fins que arriba a Gran Sasso, i per fer-ho s'han basat en dos sistemes independents: GPS i rellotges atòmics. La mesura del temps no és trivial, ha calgut calibrar i sincronitzar tots els rellotges, o sigui, assegurar-se que tots els rellotges anaven igual, si ja és difícil que el rellotge de la cuina funcioni igual que el del menjador imagineu-vos dos rellotges a més de 700km i que han d'anar iguals en 1ns (0.000000001s)!

Així doncs, finalment, han trobat que els neutrins arribaven 60ns abans del que hauria arribat la llum! Això implica que la velocitat del neutrí és superior a la de la llum en 20 parts per milió. A sota hi ha un esquema del procediment

Coses més tècniques

Els neutrins es generen a través de la desintegració de protons provinents d'un dels accelerador de partícules del CERN (l'SPS). Aquests decauen ('es transformen') en kaons o pions (un altre tipus de partícula formada per un quark i un antiquark) que decauen a la vegada a un muó (partícula elemental) i a un neutrí (muònic). Aquest últim, a causa de la seva baixa massa, surt pràcticament en la mateix direcció de la partícula de què decau. Per això diem que tenim un feix de neutrins que s'anomena CNGS (CERN Neutrino Gran Sasso) perquè es produeixen al CERN i van cap a Gran Sasso. A sota hi ha un esquema de la instal·lació CNGS.

Els neutrins no es detecten, però sí el muó que l'acompanya. Així, cada cop que es detecta un muó es pot dir que hi ha un neutrí que s'ha generat al CNGS (veure figura de sobre). I per saber quan ha arribat un neutrí a Gran Sasso, es detecten les partícules a què decau el neutrí (taus i muons majoritàriament). Això és el que es fa al LNGS (Laboratori nacional del Gran Sasso) amb el detector OPERA.

Un altre aspecte que podria ser preocupant és el punt de partida del neutrí (el punt exacte on es genera), que no es coneix. Així que s'agafa com a origen el punt en què els protons són injectats al CNGS. Això crea una incertesa que es tradueix en un error en la mesura a causa d'aquests 100-1000m de diferència entre l'origen del neutrí i l'origen que nosaltres agafem. Aquest error és de 0.2ns, que és negligible enfront dels 60ns.

Un punt important per assegurar-nos que els rellotges estan sincronitzats és la distribució d'origen i final dels neutrins: com a origen s'agafa la distribució de protons (línia vermella) i com a final la distribució d'esdeveniments detectats a OPERA (punts) ja que els neutrins no es detecten. A sota es pot veure les dos distribucions abans (a dalt) i després (a baix) d'estar calibrades.

La diferència de temps que surt al gràfic de sobre, els 1048.5ns, és el temps que tardaria la llum a recórrer la distància entre el CERN i Gran Sasso (TOF -time of flight-), si li restem el que tarden els neutrins (tenint en compte totes les correccions derivades de la mesura temporal o de la mesura de la distància) apareix:

δt = TOFc –TOFν = 1048.5 ns – 987.8 ns = (60.7 ± 6.9 (stat.) ± 7.4 (sys.)) ns

S'obté finalment (amb una significancia de 6.0 σ):

(v-c)/c = δt /(TOF’c - δt) = (2.48 ± 0.28 (stat.) ± 0.30 (sys.)) ×10-5