Neutrinos superlumínicos

C31

El método científico funciona, entre otras cosas, porque cualquier teoría es válida solamente en la medida en que los datos experimentales la soporten. En cuanto encontramos que la naturaleza no se comporta como dice la teoría, valen dos únicas alternativas: o no hemos medido bien, o la teoría tiene fallos. En ambos casos, nuestros conocimientos sobre el cosmos se hacen más precisos.

Una de las consecuencias más conocidas de la Teoría de la Relatividad de Einstein es que nada puede viajar más rápido que la luz en el vacío. Lo hemos comprobado por activa y por pasiva, con resultado positivo. Recientemente, sin embargo, un experimento europeo ha puesto en duda esa afirmación. Un tipo de partículas llamadas neutrinos parecen haber recorrido una distancia en menos tiempo del que hubiera invertido la luz. A la espera de confirmar o refutar la validez de esos datos, lo cierto es que resulta un caso de libro de método científico: experimentación, formulación de hipótesis, verificación, comunicación. De eso hablamos hace poco por estos lares.

El experimento ha consistido en la medición de la velocidad de unas partículas llamadas neutrinos, que son el equivalente del monstruo invisible que los niños inventan para convencer a sus padres de que alguien (¡no ellos!) se ha comido las galletas y ha mojado la cama. En 1930, los físicos de partículas tenían un problema similar. El neutrón, al desintegrarse, da lugar a un protón y un electrón, y durante el proceso parte de la energía desaparecía. Wolfgang Pauli tuvo el valor de intentar explicar esta discrepancia postulando la existencia de una tercera partícula, invisible e indetectable, que se llevaría la energía restante. Por supuesto, sus colegas se rieron de él, pero al final el tiempo le dio la razón: el neutrino, sin carga eléctrica ni apenas masa en reposo, fue descubierto casi tres décadas después.

Desde entonces, esta esquiva partícula ha estado envuelta en el misterio. Es extraordinariamente difícil de detectar, ya que apenas interacciona con la materia. Dispare usted mil neutrinos contra una lámina del grosor de nuestro Sistema solar, y sólo uno de ellos será absorbido (a pesar de lo cual, en la película 2012 se le achaca nada menos que la destrucción de la humanidad, cosa que no es, en absoluto, creíble). La única forma eficaz de detectar neutrinos es hacer un gran agujero bajo tierra, llenarlo con gran cantidad de detectores, confiar en que haya cerca una gran fuente de neutrinos, y hacer como en la película Casablanca: esperar, esperar, esperar.

Uno de tales experimentos se llevó a cabo en Europa durante los últimos años. El detector, conocido como OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus), estaba ubicado en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso, en Italia. Como fuente, nada mejor que el colisionador franco-suizo del CERN, a 730 kilómetros de distancia, donde un haz de protones colisiona con un blanco de grafito para producir grandes cantidades de neutrinos de alta energía. Puesto que los neutrinos viajan casi a la velocidad de la luz, alguien pensó en utilizar el CERN y el Gran Sasso para medirla con precisión. La física, de primer curso, no puede ser más elemental: velocidad igual a espacio dividido por tiempo.

Los resultados arrojan un resultado sorprendente: la velocidad de los neutrinos es superior a la de la luz. Si hubieran hecho una carrera contra un rayo gamma, lo habrían dejado atrás por casi veinte metros. Los principales medios de comunicación se hicieron eco de la noticia. El tío de las camisetas, vencido por un experimento. La teoría de Einstein, en entredicho. Se ha hablado mucho sobre la posibilidad de poder viajar en el tiempo, algo a lo que se apuntó hasta (no se rían, señores) Iker Jiménez.

Hubo quienes, con más imaginación que sesos, aprovechó el tirón mediático del experimento para criticar a la ciencia “oficial” y arrimar el ascua a su sardina: si una teoría tan firme y establecida como la Relatividad de Einstein resulta ser errónea, afirmaban algunos, eso significa que a lo mejor el creacionismo, o la negación del cambio climático, o (inserte su teoría parapsicológica aquí) pueden estar en lo cierto. Vean un ejemplo en el Wall Street Journal, sin ir más lejos. Bien, pues malas noticias para ellos todos: ni está demostrado que el experimento sea correcto, ni pasaría nada en caso de serlo.

Volvamos a nuestra ecuación básica: v=e/t. Velocidad igual a espacio dividido por tiempo. El primer paso consiste en determinar la distancia entre la fuente de neutrinos y el lugar de la detección, con el menor error posible. Una campaña geodésica llevada a cabo en 2010 arroja un valor de la distancia con un error de 20 centímetros. Esta medida ha sido actualizada gracias al sistema GPS, permitiendo así corregir variaciones de la distancia debidas a dilataciones térmicas o movimientos sísmicos. De hecho, el terremoto de la región de L´Aquila en 2009 produjo un desplazamiento de casi diez centímetros, que fueron cuidadosamente registrados por los instrumentos del Gran Sasso.

A continuación, viene la parte difícil: determinar el tiempo de vuelo de los neutrinos. Sí, tenemos grandes medios, pero la tarea es hercúlea. Piénselo bien: hemos de cronometrar el vuelo de partículas prácticamente indetectables, que viajan a casi la velocidad de la luz.

El primer problema consiste en la naturaleza fantasma de nuestros corredores. De los aproximadamente diez trillones de neutrinos lanzados hacia el Gran Sasso, apenas fueron detectados unos 16.000, y eso a lo largo de tres años. Eso hace imposible fijarse en un neutrino en concreto, de modo que se llevaron a cabo técnicas estadísticas: se medían la distribución temporal de los protones en un extremo, y se intentaban correlacionar con la de los neutrinos medidos en el otro extremo. Eso introduce errores estadísticos, pero pueden calcularse y controlarse.

En segundo lugar, tenemos el problema de medir el tiempo con precisión. El sistema de receptores GPS usados en el CERN proporcionaban una precisión de unos 100 nanosegundos (milmillonésimas de segundo), que aunque impresionante resultaba insuficiente. Tuvieron que utilizar dos relojes atómicos, sincronizarlos, enviarlos a ambos extremos del experimento y calibrar cuidadosamente hasta el último detalle. Incluso algo tan trivial como conectar dos elementos del sistema de medida con un cable de cobre ligeramente más largo introduciría errores inaceptables. Para partículas que se mueven a casi la velocidad de la luz, medir correctamente el tiempo es esencial.

Tras un sinfín de experimentos, calibraciones y comprobaciones, llegan los resultados. Y he ahí lo sorprendente. Según los datos, los neutrinos llegan a una velocidad que es un 0.0025% mayor que la de la luz. Más aún, los neutrinos de alta energía parecen ser más veloces que los de energía baja, lo que podría indicar una dependencia de la velocidad con la energía. Pero estos datos no son significativos, porque entran dentro de los errores experimentales. Lo que sí sabemos es que el tiempo de vuelo, medido de la forma más cuidadosa posible, nos indica una velocidad superlumínica para los neutrinos.

¿Por qué, entonces, la comunidad científica sigue reacia a coger el marro y tirar abajo el edificio de la relatividad de Einstein? Aparte de que le tenemos cariño al tito Albert (para qué negarlo), el hecho es que su teoría ha funcionado perfectamente hasta ahora. Las propias señales de los satélites GPS, que usted y yo usamos cuando queremos saber dónde estamos, incorporan correcciones relativistas. Queramos o no, la relatividad funciona, y hasta ahora no había indicios de que tuviese fallos.

Existen, por otro lado, evidencias experimentales de que los neutrinos no son superlumínicos. En 1987, una gran supernova apareció ante nuestros ojos en la Nube Mayor de Magallanes. Dos laboratorios, uno en Japón y otro en Estados Unidos, detectaron un chorro de neutrinos procedente de la explosión. Los neutrinos fueron detectados unas tres horas antes que los fotones, lo que para un trayecto de 170.000 años de duración es prácticamente nada. Las observaciones de 1987 concluyen que la velocidad de los neutrinos es prácticamente igual a la de la luz. De hecho, se especula con que los fotones llegaron ligeramente retrasados porque fueron frenados por los restos de la explosión, mientras que los fantasmagóricos neutrinos los atravesaban sin detenerse. Sin embargo, si la velocidad que arroja el experimento CERN-Gran Sasso fuese correcta, los neutrinos deberían haber llegado de la supernova cuatro años antes.

Más recientemente, en 2007, un experimento similar realizado en el Fermilab de Estados Unidos mostró que la velocidad de los neutrinos difiere de la de la luz en menos de un 0.01%. Los datos sugieren neutrinos superlumínicos, pero en este caso los márgenes de error son demasiado grandes para afirmarlo con seguridad.

Por todo ello, diversos científicos están ya escribiendo artículos en los que buscan posibles fuentes de error. Uno de ellos, Carlo Contaldi, sugiere que los dos relojes atómicos usados en ambos extremos no estaban bien sincronizados. El argumento de Contaldi se basa en el hecho de que el tiempo corre con mayor o menor rapidez según sea el valor del campo gravitatorio local. Si sube usted su reloj atómico a lo alto de una montaña, o se lo baja a la playa, atrasará o adelantará en cantidades muy pequeñas pero medibles. De esa forma, tanto la diferencia gravitatoria entre el CERN y el Gran Sasso como incluso el trayecto usado para llevar los relojes atómicos a su destino podrían haber introducido pequeñas desincronías.

Este argumento ya ha sido criticado por uno de los investigadores del Gran Sasso, quien afirma que Contaldi no ha entendido bien cómo los dos relojes atómicos han sido sincronizados. En descargo de Contaldi, hay que reconocer que el artículo original sobre los neutrinos superlumínicos no es muy claro en ese punto. Sin embargo, este es tan sólo el primero de muchos artículos que, durante los próximos meses, examinarán hasta el menor detalle cada aspecto del experimento en el que se puedan haber ocultado fluctuaciones o errores. No tienen que ser muy grandes. Recordemos que estamos hablando de una medición donde el error relativo es del orden del 25% Cualquier duda o imprecisión sería suficiente para que los neutrinos superlumínicos pasasen de asesinos confesos a meros sospechosos.

Quizá por eso los 174 investigadores del artículo de marras han tenido mucho cuidado de no ir más allá de donde pueden, y lo terminaron afirmando con rotundidad que “deliberadamente, no hemos intentando ninguna interpretación teórica o fenomenológica sobre los resultados” O, dicho en román paladino: aquí están los resultados, si no les gustan, busquen el error ustedes mismos.

Pero ¿y si, a pesar de todo, resulta que el experimento es válido y realmente hay partículas más veloces que la luz? En ese caso, entraremos en una era fascinante. Incluso en estos momentos, científicos de todo el mundo estarán modificando la teoría de Einstein para adaptarlas a los nuevos resultados. Eso no significa que haya que tirar abajo el edificio relativista entero. Los físicos seguimos enseñando en clase la teoría gravitatoria de Newton. ¿Por qué? Pues porque es muy sencilla, y en la mayoría de casos de interés da buenos resultados. Puede que a la Relatividad le suceda lo mismo. Tal vez haya que modificar el límite superior de velocidad. Quizá haya que hacer un rango de límites, dependiendo de la masa de la partícula. Como argumento de ciencia-ficción tiene posibilidades, aunque el visionario Isaac Asimov ya se nos adelantó a todos hace medio siglo.

Lo que no van a hacer los físicos es rasgarse las vestiduras. En ciencia, estar equivocado es a veces más revelador que estar en lo cierto. El propio Asimov afirmó en cierta ocasión que la expresión más emocionante en ciencia no es “eureka” sino “hmm, esto tiene gracia.” Si el experimento del Gran Sasso nos hubiera dado neutrinos sublumínicos, no habría llegado a las primeras planas de los periódicos. En cambio, ahora hemos de replantearnos todo, incluso la posibilidad de desmontar toda la teoría de la relatividad. Personalmente, creo que nada nos vendría mejor que ese “Stay hungry” del que nos habló Steve Jobs hace algunos años. Sigue hambriento. No des nada por sentado. La base de la ciencia, pura y dura.

3 Comentarios

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Marta

Muchas gracias por la información.
Estoy preparando un trabajo para la universidad (estudio Física) y esto me va a venir muy bien

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