Medidas de la velocidad de los neutrinos.

Se han realizado mediciones de la velocidad de los neutrinos como pruebas de relatividad especial y para la determinación de la masa de los neutrinos . Las búsquedas astronómicas investigan si la luz y los neutrinos emitidos simultáneamente desde una fuente distante llegan simultáneamente a la Tierra. Las búsquedas terrestres incluyen mediciones del tiempo de vuelo utilizando relojes sincronizados y comparación directa de la velocidad de los neutrinos con la velocidad de otras partículas.

Dado que se ha demostrado que los neutrinos tienen masa, la velocidad de los neutrinos con energías cinéticas comprendidas entre MeV y GeV debería ser ligeramente inferior a la velocidad de la luz según la relatividad especial . Las mediciones existentes proporcionaban límites superiores para las desviaciones de la velocidad de la luz de aproximadamente 10 ⁻⁹ , o unas pocas partes por mil millones . Dentro del margen de error esto es consistente y no hay desviación alguna.

Descripción general

Velocidad del neutrino en función de la energía cinética relativista , con masa del neutrino <0,2 eV/c².

En el marco del modelo estándar de física de partículas se supuso durante mucho tiempo que los neutrinos no tienen masa. Por tanto, deberían viajar exactamente a la velocidad de la luz, según la relatividad especial . Sin embargo, desde el descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos , se supone que poseen una pequeña cantidad de masa. ^[1] Por lo tanto, deberían viajar un poco más lento que la luz, de lo contrario su energía relativista se volvería infinitamente grande. Esta energía viene dada por la fórmula:

${\displaystyle E={\frac {mc^{2}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}}$,

siendo v la velocidad del neutrino y c la velocidad de la luz. La masa del neutrino m se estima actualmente en 2 eV /c², y posiblemente sea incluso inferior a 0,2 eV/c². Según este último valor de masa y la fórmula de la energía relativista, las diferencias de velocidad relativa entre la luz y los neutrinos son menores a altas energías y deberían surgir como se indica en la figura de la derecha.

Las mediciones de tiempo de vuelo realizadas hasta ahora investigaron neutrinos de energía superior a 10 MeV. Sin embargo, las diferencias de velocidad predichas por la relatividad a energías tan altas no se pueden determinar con la precisión actual de la medición del tiempo. La razón por la que todavía se realizan tales mediciones está relacionada con la posibilidad teórica de que en determinadas circunstancias puedan producirse desviaciones significativamente mayores de la velocidad de la luz. Por ejemplo, se postuló que los neutrinos podrían ser algún tipo de partículas superluminales llamadas taquiones , ^[2] aunque otros criticaron esta propuesta. ^[3] Si bien se cree que los taquiones hipotéticos son compatibles con la invariancia de Lorentz , los neutrinos superlumínicos también se han estudiado en marcos que violan la invariancia de Lorentz motivados por variantes especulativas de la gravedad cuántica , como la Extensión del modelo estándar según la cual las oscilaciones de neutrinos que violan Lorentz puede surgir. ^[4] Además de las mediciones del tiempo de vuelo, esos modelos también permiten determinaciones indirectas de la velocidad de los neutrinos y otras búsquedas modernas de violaciones de Lorentz . Todos esos experimentos confirmaron la invariancia de Lorentz y la relatividad especial.

Fermilab (década de 1970)

Fermilab realizó en los años 1970 una serie de mediciones terrestres en las que se comparó la velocidad de los muones con la de los neutrinos y antineutrinos de energías entre 30 y 200 GeV. El haz de neutrinos de banda estrecha del Fermilab se generó de la siguiente manera: protones de 400 GeV golpean el objetivo y provocan la producción de haces secundarios compuestos de piones y kaones . Luego se descomponen en un tubo de desintegración al vacío de 235 metros de longitud. Los hadrones restantes fueron detenidos por un depósito secundario, de modo que sólo los neutrinos y algunos muones energéticos puedan atravesar el escudo terrestre y de acero de 500 metros de longitud para llegar al detector de partículas .

Dado que los protones se transfieren en haces de un nanosegundo de duración en un intervalo de 18,73 ns, se pudo determinar la velocidad de los muones y neutrinos. Una diferencia de velocidad provocaría un alargamiento de los haces de neutrinos y un desplazamiento de todo el espectro temporal de neutrinos. Al principio se compararon las velocidades de los muones y los neutrinos. ^[5] Posteriormente también se observaron antineutrinos. ^[6] El límite superior para las desviaciones de la velocidad de la luz era:

${\displaystyle {\frac {|v-c|}{c}}<4\times 10^{-5}}$.

Esto estuvo de acuerdo con la velocidad de la luz dentro de la precisión de la medición ( nivel de confianza del 95% ) y tampoco se pudo encontrar dependencia energética de las velocidades de los neutrinos con esta precisión.

Supernova 1987A

La concordancia más precisa con la velocidad de la luz (a partir de 2012 ^[actualizar]) se determinó en 1987 mediante la observación de antineutrinos electrónicos de energías entre 7,5 y 35 MeV originados en la supernova 1987A a una distancia de 157.000 ± 16.000 años luz . El límite superior para las desviaciones de la velocidad de la luz fue:

${\displaystyle {\frac {|v-c|}{c}}<2\times 10^{-9}}$,

por tanto, más de 0,999999998 veces la velocidad de la luz. Este valor se obtuvo comparando los tiempos de llegada de la luz y los neutrinos. La diferencia de aproximadamente tres horas se explica porque los neutrinos, que casi no interactúan, pueden atravesar la supernova sin obstáculos, mientras que la luz requiere más tiempo. ^{[7] [8] [9] [10]}

MINOS (2007)

La primera medición terrestre del tiempo de tránsito absoluto fue realizada por MINOS (2007) en Fermilab. Para generar neutrinos (el llamado haz NuMI ) utilizaron el inyector principal de Fermilab, mediante el cual se dirigieron protones de 120 GeV a un objetivo de grafito en 5 a 6 lotes por derrame. Los mesones emergentes se desintegraron en un túnel de desintegración de 675 metros de largo en neutrinos muónicos (93%) y antineutrinos muónicos (6%). El tiempo de viaje se determinó comparando los tiempos de llegada al detector cercano y lejano MINOS, con una diferencia de 734 km entre sí. Los relojes de ambas estaciones se sincronizaron mediante GPS y se utilizaron largas fibras ópticas para la transmisión de la señal. ^[11]

Midieron una llegada temprana de neutrinos de aproximadamente 126 ns. Por lo tanto, la diferencia de velocidad relativa fue (límite de confianza del 68%). Esto corresponde a 1,000051±29 veces la velocidad de la luz, por lo que aparentemente es más rápida que la luz. La principal fuente de error fueron las incertidumbres en los retrasos de la fibra óptica. La significación estadística de este resultado fue inferior a 1,8 σ , por lo que no fue significativo ya que se requiere 5σ para ser aceptado como un descubrimiento científico. ${\displaystyle \scriptstyle (5.1\pm 2.9)\times 10^{-5}}$

Se dio un nivel de confianza del 99% ^[11]

${\displaystyle -2.4\times 10^{-5}<{\frac {v-c}{c}}<12.6\times 10^{-5}}$,

una velocidad de neutrino mayor que 0,999976c e inferior a 1,000126c. Por tanto, el resultado también es compatible con velocidades subluminales.

ÓPERA (2011, 2012)

Anomalía

En el experimento OPERA se utilizaron neutrinos de 17 GeV , divididos en extracciones de protones de 10,5 μs de longitud generadas en el CERN , que alcanzaron un objetivo a una distancia de 743 km. Luego se producen piones y kaones que se desintegran parcialmente en muones y neutrinos muónicos ( CERN Neutrinos to Gran Sasso , CNGS). Los neutrinos viajaron hasta el Laboratorio Nacional del Gran Sasso (LNGS), a 730 kilómetros de distancia, donde se encuentra el detector OPERA. Se utilizó GPS para sincronizar los relojes y determinar la distancia exacta. Además, se utilizaron fibras ópticas para la transmisión de señales en LNGS. La distribución temporal de las extracciones de protones se comparó estadísticamente con aproximadamente 16.000 eventos de neutrinos. OPERA midió una llegada temprana de neutrinos de aproximadamente 60 nanosegundos, en comparación con la llegada esperada a la velocidad de la luz, lo que indica una velocidad de neutrino más rápida que la de la luz. A diferencia del resultado MINOS, la desviación fue de 6σ y, por tanto, aparentemente significativa. ^{[12] [13] [14]}

Para excluir posibles errores estadísticos, el CERN produjo haces de protones agrupados entre octubre y noviembre de 2011. Las extracciones de protones se dividieron en haces cortos de 3 ns a intervalos de 524 ns, de modo que cada evento de neutrino pudiera conectarse directamente a un haz de protones. La medición de veinte eventos de neutrinos arrojó nuevamente una llegada anticipada de aproximadamente 62 ns, de acuerdo con el resultado anterior. Actualizaron su análisis y aumentaron la significancia hasta 6,2σ. ^{[15] [16]}

En febrero y marzo de 2012 se demostró que había dos errores en el equipo experimental: una conexión errónea de un cable en una tarjeta de ordenador, lo que hacía que los neutrinos aparecieran más rápido de lo esperado. El otro era un oscilador fuera de sus especificaciones, lo que hacía que los neutrinos parecieran más lentos de lo esperado. Luego se comparó el momento de llegada de los muones cósmicos de alta energía a OPERA y al detector LVD ubicado en el mismo lugar entre 2007 y 2008, 2008-2011 y 2011-2012. Se descubrió que entre 2008 y 2011, el error del conector del cable provocó una desviación de aproximadamente 73 ns y el error del oscilador provocó ca. 15 ns en dirección opuesta. ^{[17] [18]} Esto y la medición de velocidades de neutrinos consistentes con la velocidad de la luz por la colaboración ICARUS (ver ICARUS (2012)), indicaron que los neutrinos probablemente no eran más rápidos que la luz. ^[19]

Resultado final

Finalmente, en julio de 2012, la colaboración OPERA publicó un nuevo análisis de sus datos de 2009 a 2011, que incluía los efectos instrumentales mencionados anteriormente y obtuvo límites para las diferencias en el tiempo de llegada (en comparación con la velocidad de la luz):

${\displaystyle \delta t=6.5\pm 7.4\ (\mathrm {stat.} ){\scriptstyle {+8.3 \atop -8.0}}\ (\mathrm {sys.} )}$nanosegundos,

y límites para las diferencias de velocidad:

${\displaystyle {\frac {v-c}{c}}=(2.7\pm 3.1\ (\mathrm {stat.} ){\scriptstyle {+3.4 \atop -3.3}}\ (\mathrm {sys.} ))\times 10^{-6}}$.

También los nuevos análisis correspondientes para la viga agrupada de octubre y noviembre de 2011 coincidieron con este resultado:

${\displaystyle \delta t=-1.9\pm 3.7\ (\mathrm {stat.} )}$nanosegundos

Aunque en los extremos de error estos resultados todavía permiten velocidades de neutrinos superluminales, son predominantemente consistentes con la velocidad de la luz, y el límite para la diferencia de velocidad es más preciso en un orden de magnitud que las mediciones terrestres anteriores del tiempo de vuelo. ^[20] ${\displaystyle 10^{-6}}$

GNL (2012)

Continuando con las mediciones de OPERA e ICARUS, los experimentos de LNG Borexino , LVD , OPERA e ICARUS realizaron nuevas pruebas entre el 10 y el 24 de mayo de 2012, después de que el CERN proporcionara otra repetición del haz agrupado. Todas las mediciones fueron consistentes con la velocidad de la luz. ^[19] El haz de neutrinos muónicos de 17 GeV constaba de 4 lotes por extracción separados por ~300 ns, y los lotes constaban de 16 grupos separados por ~100 ns, con un ancho de grupo de ~2 ns. ^[21]

Borexino

La colaboración de Borexino analizó la repetición de haces agrupados de octubre a noviembre. 2011 y la segunda repetición de mayo de 2012. ^[21] Para los datos de 2011, evaluaron 36 eventos de neutrinos y obtuvieron un límite superior para las diferencias en el tiempo de vuelo:

${\displaystyle \delta t=-6.5\pm 7\ (\mathrm {stat.} )\pm 6\ (\mathrm {sys.} )}$nanosegundos.

Para las mediciones de mayo de 2012, mejoraron su equipo instalando un nuevo sistema analógico de activación de pequeña fluctuación y un receptor GPS geodésico acoplado a un reloj Rb . ^[22] También llevaron a cabo una medición geodésica independiente de alta precisión junto con LVD e ICARUS. Se podrían utilizar 62 eventos de neutrinos para el análisis final, lo que daría un límite superior más preciso para las diferencias en el tiempo de vuelo ^[21]

${\displaystyle \delta t=0.8\pm 0.7\ (\mathrm {stat.} )\pm 2.9\ (\mathrm {sys.} )}$nanosegundos,

correspondiente a

${\displaystyle {\frac {|v-c|}{c}}<2.1\times 10^{-6}}$(90% CL).

LVD

La colaboración de LVD analizó por primera vez la repetición del haz de octubre a noviembre. 2011. Evaluaron 32 eventos de neutrinos y obtuvieron un límite superior para las diferencias en el tiempo de vuelo: ^[23]

${\displaystyle \delta t=3.1\pm 5.3\ (\mathrm {stat.} )\pm 8\ (\mathrm {sys.} )}$nanosegundos.

En las mediciones de mayo de 2012, utilizaron la nueva instalación de temporización de GNL de la colaboración Borexino y los datos geodésicos obtenidos por LVD, Borexino e ICARUS (ver arriba). También actualizaron sus contadores de centelleo y el disparador . Para el análisis de mayo se utilizaron 48 eventos de neutrinos (a energías superiores a 50 MeV, la energía promedio de los neutrinos fue de 17 GeV), mejorando el límite superior para las diferencias en el tiempo de vuelo ^[23]

${\displaystyle \delta t=0.9\pm 0.6\ (\mathrm {stat.} )\pm 3.2\ (\mathrm {sys.} )}$nanosegundos,

correspondiente a

${\displaystyle -3.8\times 10^{-6}<{\frac {v-c}{c}}<3.1\times 10^{-6}}$(99 % CL).

ÍCARO

Después de publicar el análisis de la repetición del haz de octubre a noviembre. 2011 (ver arriba), la colaboración ICARUS también proporcionó un análisis de la repetición de mayo. Mejoraron sustancialmente su propio sistema de cronometraje interno y entre CERN-LNGS, utilizaron la medición geodésica de LNGS junto con Borexino y LVD, y emplearon la instalación de cronometraje de Borexino. Se han evaluado 25 eventos de neutrinos para el análisis final, lo que arroja un límite superior para las diferencias en el tiempo de vuelo: ^[24]

${\displaystyle \delta t=0.18\pm 0.69\ (\mathrm {stat.} )\pm 2.17\ (\mathrm {sys.} )}$nanosegundos,

correspondiente a

${\displaystyle {\frac {v-c}{c}}=(0.7\pm 2.8\ (\mathrm {stat.} )\pm 8.9\ (\mathrm {sys.} ))\times 10^{-7}}$.

Se excluyen las velocidades de los neutrinos que superan la velocidad de la luz en más del (95% CL). ${\displaystyle 1.6\times 10^{-6}c}$

ÓPERA

Después de la corrección de los resultados iniciales, OPERA publicó también sus mediciones de mayo de 2012. ^[25] Para la evaluación de los eventos de neutrinos se utilizó un sistema de sincronización adicional independiente y cuatro métodos de análisis diferentes. Proporcionaron un límite superior para las diferencias en el tiempo de vuelo entre los neutrinos ligeros y muónicos (de 48 a 59 eventos de neutrinos según el método de análisis):

${\displaystyle \delta t=0.6\pm 0.4\ (\mathrm {stat.} )\pm 3.0\ (\mathrm {sys.} )}$nanosegundos,

y entre neutrinos ligeros y antimuones (3 eventos de neutrinos):

${\displaystyle \delta t=1.7\pm 1.4\ (\mathrm {stat.} )\pm 3.2\ (\mathrm {sys.} )}$nanosegundos,

consistente con la velocidad de la luz en el rango de

${\displaystyle -1.8\times 10^{-6}<{\frac {v-c}{c}}<2.3\times 10^{-6}}$(90% CL).

MINOS (2012)

Antiguo sistema de cronometraje

La colaboración MINOS desarrolló aún más sus mediciones de velocidad de 2007. Examinaron los datos recopilados durante siete años, mejoraron el sistema de cronometraje GPS y la comprensión de los retrasos de los componentes electrónicos, y también utilizaron equipos de cronometraje mejorados. Los neutrinos abarcan un derrame de 10 μs que contiene entre 5 y 6 lotes. Los análisis se han realizado de dos maneras. Primero, como en la medición de 2007, los datos del detector lejano fueron determinados estadísticamente por los datos del detector cercano ("Enfoque de derrame completo"): ^{[26] [27]}

${\displaystyle \delta t=-18\pm 11\ (\mathrm {stat.} )\pm 29\ (\mathrm {sys.} )}$nanosegundos,

En segundo lugar, se han utilizado los datos relacionados con los propios lotes ("enfoque de derrame envuelto"):

${\displaystyle \delta t=-11\pm 11\ (\mathrm {stat.} )\pm 29\ (\mathrm {sys.} )}$nanosegundos,

Esto es consistente con los neutrinos que viajan a la velocidad de la luz y mejora sustancialmente sus resultados preliminares de 2007.

Nuevo sistema de cronometraje

Para mejorar aún más la precisión, se desarrolló un nuevo sistema de sincronización. En particular, se han instalado un "monitor de corriente de pared resistiva" (RWCM) que mide la distribución temporal del haz de protones, relojes atómicos CS, receptores GPS de doble frecuencia y detectores auxiliares para medir las latencias de los detectores. Para el análisis, los eventos de neutrinos se pudieron relacionar con un derrame de protones específico de 10 μs, a partir del cual se generó un análisis de probabilidad y luego se combinaron las probabilidades de diferentes eventos. El resultado: ^{[28] [29]}

${\displaystyle \delta t=-2.4\pm 0.1\ (\mathrm {stat.} )\pm 2.6\ (\mathrm {sys.} )}$nanosegundos,

y

${\displaystyle {\frac {v-c}{c}}=(1.0\pm 1.1)\times 10^{-6}}$.

Esto se confirmó en la publicación final de 2015. ^[30]

Determinaciones indirectas

Los marcos que violan Lorentz, como la Extensión del modelo estándar, que incluye las oscilaciones de neutrinos que violan Lorentz, también permiten determinaciones indirectas de las desviaciones entre la velocidad de la luz y la velocidad de los neutrinos midiendo su energía y las tasas de desintegración de otras partículas a grandes distancias. ^[4] Mediante este método, se pueden obtener límites mucho más estrictos, como por Stecker et al. : ^[31]

${\displaystyle {\frac {|v-c|}{c}}<5.6\times 10^{-19}}$.

Para conocer más límites indirectos de este tipo sobre neutrinos superluminales, consulte Búsquedas modernas de violación de Lorentz § Velocidad de neutrinos .

Referencias

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Bellatrística relacionada

• "60,7 nanosegundos", de Gianfranco D'Anna ( ISBN 978-3-9524665-0-6 ): una novela inspirada en la afirmación del neutrino superluminal, que cuenta con detalle una increíble historia de ambición y mala suerte. 

enlaces externos

• Lista de recursos de INFN con muchos artículos sobre experimentos e historia: SuperLuminal Neutrino