El experimento anunciado el pasado viernes en el CERN ha causado una conmoción dentro y fuera de la comunidad científica. La posibilidad de que los neutrinos viajen más rápido que la luz tiene difícil encaje con la teoría de la Relatividad Especial de Einstein y la mayoría de físicos se inclina por pensar que existe un error. Estos son los detalles del experimento y los escenarios que se barajan.
Si la física de partículas fuera una novela de detectives, al neutrino se le estaría poniendo cara de mayordomo. El experimento anunciado el pasado viernes en el CERN siembra aún más incertidumbre sobre esta partícula de guante blanco, capaz de atravesarnos a nosotros y al planeta Tierra por trillones cada segundo y resultar prácticamente indetectable. La última noticia, si se confirma con nuevas pruebas experimentales, es que los neutrinos son capaces de viajar más rápido que la luz, lo que en principio viola la teoría de la Relatividad Especial de Albert Einstein y tiene desconcertados a los físicos. La tarea pendiente, como siempre que algo desafía todo lo conocido hasta ahora, es buscar un posible error en el experimento. ¿Dónde puede estar esa "incertidumbre no considerada", si es que la hay? ¿Qué implicaciones tendría que el experimento fuera correcto? Como en toda novela de misterio, lo primero es presentar a los protagonistas.
La partícula escurridiza
La primera vez que se planteó la existencia de los neutrinos no fue porque nadie los pillara in fraganti en plena acción sino porque faltaba algo de la nevera, por decirlo de algún modo. En 1930, el físico Wolfgang Pauli comprobó que en la radioactividad beta, en la que un neutrón se transforma en un protón emitiendo un electrón, había algo que faltaba para que la energía y la cantidad de movimiento se conservaran como marcan los principios de la física. El sospechoso era una partícula neutra (sin carga) que pasaba por allí sin interaccionar aparentemente con nadie y que se mantuvo oculta a los ojos de los científicos durante otros 25 años.
Desde entonces se han instalado varios detectores de neutrinos por todo el mundo que registran una porción diminuta de estas sigilosas partículas cuando, casualmente, alguna de ellas interacciona con el núcleo de un átomo y el proceso acaba generando un fotón. Para hacerse una idea de lo escurridiza que es la partícula y de lo raro que es que interaccionen con algo, se suele poner este ejemplo: si lanzásemos un chorro de neutrinos sobre una placa de plomo de un año luz de grosor (más de 9 billones de kilómetros) la mitad de los neutrinos pasaría por el otro extremo sin haber interaccionado con el material. “Estamos hablando de partículas que se descubrieron hace 80 años”, asegura a lainformacion.com Javier Cuevas Maestro, investigador del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN, “y aún no sabemos mucho sobre ellos porque prácticamente no interaccionan con nada”.
¿De dónde proceden estos neutrinos? La inmensa mayoría de los que detectamos en la Tierra proceden de las reacciones nucleares del Sol, que nos envía un chorro de neutrinos permanente. La otra gran fuente son las explosiones de las supernovas, pero debido a las distancias cósmicas- y al poco tiempo que llevamos mirando – sólo hemos localizado una fuente de neutrinos en una ocasión, en el año 1987 cuando los neutrinos procedentes de la Supernova SN 1987A, en la Gran Nube de Magallanes (satélite de la Vía Láctea), pudieron ser detectados en tres laboratorios.
El experimento
Una vez que tenemos una idea aproximada de qué son los neutrinos pasemos a describir en qué consiste el experimento ÓPERA dentro del CERN. Tenemos dos puntos en el mapa. Uno es el Super Sincrotón de Protones (SPS), en Ginebra, un acelerador de partículas que envía un haz de neutrinos muónicos de alta intensidad y energía, y el otro es el laboratorio subterráneo LNGS, en Gran Sasso, Italia, que los recibe. La distancia es de 730 kilómetros y los neutrinos – que como hemos visto no interacciona con casi nada - se envían a través de la corteza terrestre (y ojo con esto porque la propia ministra de Ciencia italiana cometió un gazapo al interpretar que existía un túnel entre ambas instalaciones). Para hacerse una idea de la precisión, entre la salida y la llegada de los neutrinos, a varios metros de profundidad bajo tierra, transcurren menos de 3 milisegundos.
Después de asegurarse de que han tenido en cuenta todas las variables (las distancias en la Tierra varían con la rotación, las mareas, etc. y hay que utilizar mediciones muy precisas de GPS) lo que descubrieron los científicos es que los escasos neutrinos detectados (16.000 eventos registrados tras la emisión de unos 10^20 neutrinos muónicos) llegaban en promedio hasta Gran Sasso más rápido de lo esperado: alrededor de 60 nanosegundos antes del registro que habrían marcado a la velocidad de la luz en el vacío.
Pero lo que de verdad ha descolocado a los físicos es que esto, con la teoría de la Relatividad Especial en la mano, no debería ser posible. Ninguna partícula puede acelerarse hasta alcanzar una velocidad mayor que la de la luz porque necesitaría una energía infinita. Y es por esto que la mayoría de científicos se han lanzado a la búsqueda de lo que Álvaro de Rújula calificaba desde el CERN como el “error sutil” en el experimento.
En busca del “error sutil”
Cuando un experimento no encaja con lo que se conoce hasta ese momento en ciencia lo primero que hay que descartar es que haya un error o incertidumbre sistemática que podría modificar el resultado. “Esperamos con impaciencia las mediciones independientes para calcular plenamente la naturaleza de esta observación”, aseguró el viernes el propio portavoz del experimento, Antonio Ereditato. Y la mayoría de los físicos sospechan que las mediciones ayudarán a localizar el fallo. “Esto ha pasado muchas veces”, asegura el astrónomo Javier Armentia, “y al cabo de los meses se encontraba por casualidad un signo menos en una ecuación o algo que no se había tenido en cuenta y que lo cambiaba todo”. “La base por la que creo que hay un error es sobre todo la impresionante ubicuidad de la Relatividad Especial”, asegura el físico teórico Mariano Santander. “Yo también creo que debe haber algún matiz muy sutil. Probablemente no será nada obvio, pues la gente que ha efectuado el experimento ha dedicado un par de años a analizar todas las posibles causas de error”.
“Es muy fácil equivocarse con los neutrinos”, asegura Enrique Fernández, catedrático de física atómica de la UAB que ha trabajado muchos años con neutrinos en el Fermilab (EEUU) y en Japón. “Son experimentos difíciles, lo sabemos los que tenemos la experiencia“. El físico Javier Cuevas Maestro, que lleva 20 años trabajando en proyectos del LHC, insiste en la complejidad de este experimento. Para hacerse una idea, apunta, “en el LHC se registran alrededor de 40 millones de colisiones de partículas por segundo y aquí sólo hay 16.000 sucesos, lo que, estadísticamente, aunque se lleven tres años tomando datos, es relativamente poco”. Esto quiere decir que tanto las incertidumbres sistemáticas como estadísticas son importantes, teniendo en cuenta, por ejemplo, que el instrumento de medición está separado por 730 kilómetros del punto de producción de neutrinos.
Diferencias con la Supernova
Lo primero que llama la atención del experimento de Gran Sasso es que contrasta con las observaciones de neutrinos procedentes de la supernova 1987A. En aquella ocasión los neutrinos y los fotones (la luz) llegaron al mismo tiempo y si los neutrinos viajaran a la velocidad que indica Gran Sasso, los neutrinos tendrían que haber empezado a llegar cuatro años antes que los fotones. Aquí se abren varias incógnitas que surgen al comparar ambas mediciones. Los neutrinos de la supernova llegan a través del vacío y los de Gran Sasso atraviesan la corteza terrestre, con lo que podría haber alguna diferencia a causa del medio. O de energía, porque la de los neutrinos de la supernova es mucho más pequeña que la de los neutrinos estudiados por OPERA. Además, los detectores de 1987 no eran tan sofisticados y precisos como los de ahora, aunque detectaron la señal en varios lugares.
En 2007, otro experimento de neutrinos de larga distancia, el proyecto MINOS dependiente del Fermilab, en EEUU, también se encontró un efecto parecido, pero no significativo. MINOS tiene un detector a casi exactamente la misma distancia que la del CERN al Gran Sasso, 730 km, situado en una mina en el estado de Minnessotta. Y en el experimento pionero, llamado K2K, realizado en Japón y que utiliza como detector lejano el llamado Super-Kamiokande, a 250 km de distancia del acelerador donde se producen los neutrinos, también es necesario medir la velocidad de estos. Pero como aclara Fernández, que participó en el experimento K2K, en estos experimentos no se midió la velocidad con la precisión de OPERA, simplemente porque no era necesario.
Imprecisión en el tiempo de salida
La otra variable que preocupa a los físicos es la manera en que se miden los instantes de salida y llegada de los neutrinos. El problema es que no se puede conocer con certeza el momento en que el neutrino ha salido del acelerador o llegado al detector. "Yo no sé qué tiempo ha tardado un neutrino concreto en llegar, asegura el físico y doctor en matemáticas Francisco Villatoro. "Solo tengo una distribución estadística. Ambas distribuciones tienen una forma muy parecida, pero no igual". Si se tratara de un tren, no sabríamos el momento en que llega o se va. “Cuando estas partículas interaccionan con el blanco dejan un rastro, pero la posición de entrada a la partícula tiene una incertidumbre”, asegura Cuevas Maestro. El problema, para el coordinador del grupo de Física Experimental de Altas Energías de la Universidad de Oviedo, es aún mayor: no es que no sepamos cuándo entra el tren, sino que la mayoría de los trenes que pasan no se registran. “Como los neutrinos no tienen carga y no interaccionan con la materia”, explica, “la mayoría pasan por la estación sin que nos enteremos y cuando interaccionan con los centelleadores no sabemos si ha sido al principio o un poquito después”.
“Los neutrinos no salen todos a la vez porque los protones que los producen no chocan a la vez con el blanco”, asegura Enrique Fernández, que también es miembro del Institut de Física d'Altes Energies (IFAE). “Chocan durante 10,5 microsegundos- es un tren continuo de protones, pero cuando se detecta un neutrino en el gran Sasso no se sabe qué protón lo produjo, se sabe solo en promedio”.
¿Y si el experimento es correcto?
Si después de todas las comprobaciones, resulta que lo que han medido los físicos del CERN es correcto, se abre un mundo de posibilidades e interpretaciones. Los físicos no coinciden a la hora de interpretar la trascendencia que tendría el hallazgo. Para Francisco Villatoro, por ejemplo, el descubrimiento afectaría a la física de neutrinos pero no sacudiría los pilares de lo que sabemos. “Esto es una cosa importante para los físicos, pero para el público general no tiene ninguna importancia”, asegura, “no es algo que vaya a cambiar los libros de texto, salvo los libros especializados en neutrinos”. “Creo que estos cambios deberían entenderse sobre todo como una delimitación de los límites de validez de la relatividad especial”, asegura el físico teórico Mariano Santander, “pero cabe muy poca duda de que la relatividad especial en su forma actual subsistirá como una muy buena descripción de la estructura del espacio y el tiempo”.
Para Cuevas Maestro y para Fernández la cosa es un poco distinta. “Si efectivamente los neutrinos pudiesen viajar a mayor velocidad que la luz, se abriría una puerta a una descripción de fenómenos físicos que hasta ahora ni siquiera imaginábamos”, dice Cuevas. “Uno de los pilares de la física que es la constancia de la velocidad de la luz y que es máxima, nos produciría un sobresalto tremendo. Si la teoría de la relatividad fuera 99,999% correcta, estaríamos ante una variación significativa de la ciencia básica tal y como la conocemos”. “No estoy de acuerdo con la idea de que no cambiaría la relatividad”, añade Fernández, “la cambia profundamente, tanto que los libros de texto no sobrevivirían”.
Algunas especulaciones
Los 60 nanosegundos de diferencia en la “foto finish” ya han dado pie a las primeras especulaciones sobre una posible explicación. Una de ellas es que los neutrinos pudieran desplazarse por una dimensión paralela que les permite llegar antes (como apunta la teoría de cuerdas), otra es que existieran dos velocidades de la luz, una para fotones y otra para neutrinos. “Habría que añadir dos velocidades tope a la relatividad especial”, asegura Villatoro, “pero nadie ha profundizado en qué pasaría en este caso a nivel cosmológico y astrofísico”. “Esto implicaría que hubiera dos métricas en el espacio-tiempo, que coinciden en el límite de baja energía”, asegura Santander, “lo que sería una extensión natural de la Relatividad Especial y son ideas exploradas en otros contextos, aunque no se hayan aplicado a problemas como el del experimento OPERA”.
También hay quien ha insinuado que el hallazgo abre la posibilidad de viajar en el tiempo o, más concretamente, enviar señales al pasado. La relatividad especial admite la posibilidad de que existan partículas que viajen por encima de la luz, lo que “prohíbe” es que se acelere por encima de esa velocidad. Existen unas partículas hipotéticas, llamadas taquiones, que podrían existir pero por su propia naturaleza no podrían ser detectadas. Si los neutrinos fueran taquiones, su velocidad dependería de su energía. En el experimento de OPERA se han separado los neutrinos en dos grupos, de baja y alta energía, con energías medias de 14 y 43 GeV, pero se ha observado que la velocidad de ambos grupos es casi idéntica, lo que no cuadra con la naturaleza de los taquiones.
¿En qué se basan estas especulaciones sobre el tiempo? Para entenderlo, Enrique Fernández nos pone un ejemplo muy visual. “Si nos subimos a un neutrino viajando a más velocidad que la de la luz”, asegura, “veríamos los fotones quedándose atrás”. Ahora imaginemos que alguien sale de la Tierra montando en un neutrino: la luz de la tierra saldría después y no vería nada, pero si se detuviera “vería la luz de la Tierra llegar más tarde y por tanto se habría ido al futuro y vería llegar luz que salió antes que él”. En cualquier caso, para Fernández estas especulaciones no son correctas porque si la relatividad especial no es cierta, tendríamos que cuestionarlo todo, incluida estas ideas sobre el tiempo.
“Si aceptamos esta idea de viajar en el tiempo”, asegura Mariano Santander en el mismo sentido, “entonces, por consistencia y honradez, también debiéramos decir que la Física Cuántica nos permite atravesar las paredes”. “En serio”, añade, “la respuesta es un sonoro “no” para todos los propósitos prácticos. Aunque el resultado fuera correcto, esto no nos pone en situación de viajar en el tiempo a nuestro gusto”.
“Todos, aunque nos quedemos quietecitos, estamos viajando en el tiempo, hacia el futuro y a la respetable velocidad de un segundo por segundo (parece una tontería, pero dista de serlo)”, añade el profesor Santander. “Y si queremos viajar mas rápido hacia el futuro, basta con que nos movamos en el espacio lo más deprisa posible”. “Viajar nosotros al pasado requeriría ‘montarnos' en un autobús taquiónico”, añade. “Pero necesitaríamos literalmente una energía mas allá de infinito para dar el salto, desde nuestro estado de reposo, a tal autobús. Y a esto es aplicable mejor que nunca lo del torero: lo que no puede ser, no puede ser y además es imposible”.
El siguiente paso
Lo importante ahora es conseguir replicar el experimento cuanto antes para ver si se repiten los resultados. El candidato más probable es el proyecto MINOS, en EEUU, que ya hizo una prueba semejante pero que necesitaría muchos meses, quizá años, para repetir un experimento tan complejo y aparatoso.
Lo interesante es que en este período lo físicos teóricos van a proponer infinidad de soluciones para explicarlo y esto puede traer nuevas ideas. El estudio de los neutrinos, por ejemplo, es fundamental en la búsqueda de pruebas sobre la naturaleza de la materia y la energía oscuras que ocupan el 90% de nuestro Universo. “Aunque el experimento resulte ser erróneo”, asegura Villatoro, “los físicos jóvenes van a proponer explicaciones exóticas, nuevas ideas en las que sin la chispa de este resultado nunca habrían pensado. Y es así cómo se producen las grandes revoluciones".
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