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Partículas elementales José Ignacio Latorre
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La velocidad de los neutrinos 25/09/11
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La colaboración Opera ha anunciado (http://arxiv.org/abs/1109.4897) un resultado sorprendente: los neutrinos podrían viajar a una velocidad superior a la de la luz.
No es fácil digerir una noticia de este calado. Por una parte, la Teoría de la Relatividad Especial de Albert Einstein postula que la velocidad de la luz no puede ser rebasada. Si una partícula con masa viaja más rápidamente que la luz, la Teoría de la Relatividad Especial podría quedar en entredicho.
Sin embargo, lo más importante no es viajar más o menos rápidamente que los fotones que componen la luz. Lo relevante es comprender que toda teoría física se basa en un postulado básico que consideramos inviolable: causalidad. Nuestra teorías son causales, es decir, establecen la relación entre una causa y su efecto. Por ejemplo, un electrón interactúa con otro emitiendo un fotón que porta esa interacción. El efecto que realiza el primer electrón sobre el segundo se demora lo que tarde el fotón en viajar entre ambos. Por eso la velocidad de la luz establece una relación de orden causa-efecto. Si un electrón viajase más rápidamente que la luz, violaría el principio de causalidad. En un lenguaje más coloquial, causalidad implica que un hijo no puede matar a su madre antes de nacer.
El experimento Opera debe ser respetado y analizado de forma estricta. Para poder medir la velocidad de los neutrinos es necesario establecer con muchísima precisión la distancia entre el lugar donde se emiten los neutrinos y el lugar donde se detectan a 730 km de distancia. También es necesario tener relojes perfectamente sincronizados en ambos lugares. Para determinar las posiciones y tiempos de forma precisa se utiliza el sistema GPS. Pero existen muchas correcciones sutiles que deben hacerse.
Una corrección a hacer, entre muchas otras, es la correcta sincronización del GPS con el detector. La señal de GPS se recibe sobre la superficie de la Tierra, pero el detector está bajo tierra. Al pasar la señal de un lugar a otro se debe utilizar aparatos electrónicos intermedios. Los desajustes de tiempo que produce esta electrónica son del orden de 10000ns. Es necesario afinar la estimación de estos tiempos hasta los 10ns, dado que el resultado presentado es que los neutrinos llegan unos 60ns antes de que lo haría la luz.
Este problema es un ejemplo de posible error sistemático infravalorado. No se trata de un error estadístico que se elimina aumentando la estadística. Si para cada evento cometemos un error de estimación en el cálculo de la sincronización de relojes, todos los resultados son incorrectos. La lucha contra todos los errores sistemáticos es la pesadilla de todo físico experimental.
Es sano, pues, ser escéptico ante los resultados anunciados por Opera. Otros experimentos anteriores habían anunciado un posible efecto similar, pero las medidas de la supernova 1987A descartaron que los neutrinos viajasen más rápidos que los fotones. Este tipo de situaciones no es infrecuente en Ciencia. En esta ocasión, la consecuencia teórica de la observación y una cierta magnificación mediática han levantado más revuelo de lo habitual. Pero los hechos científicos no dependen del impacto mediático, son absolutos y tienen toda la paciencia de la eternidad para esperar que la humanidad los comprenda. |
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18 comentarios a "La velocidad de los neutrinos" |
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José María Valderas
28/09/11-10:31
Querido profesor, resulta llamativo que la física apele a un principio de origen filosófico, central en la metafísica desde Aristóteles, como es el de causalidad, que en el caso del experimento del CERN adquiere pareja importancia con la exigencia relativista de que nada en este universo puede ir más deprisa que la luz.
También resulta llamativo que sean los neutrinos los protagonistas del enredo. De momento, no es más que eso. Esos leptones son los únicos que, en potencia, podrían atravesar la niebla de radiación que nos impide ahondar en qué aconteció durante los primeros 300. 000 años sjubsiguientes a la gran explosión (big bang). El día en que los detectemos se abrirán sin duda nuevas vías de conocimiento del universo en su estado naciente. Eso sí que sería un genuino viaje en el tiempo.
Gracias por su clarísima exposición. Con razón decía Pedro Pascual, padre de los físicos teóricos de este país, que tenía usted un don especial para plantear los problemas. También para resolverlos.
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José Ignacio
28/09/11-15:10
Muchas gracias, José María, por tu cálido comentario.
Sí, la Física es el instrumento natural que nos relaciona con la Filosofía más profunda. Lo digo con absoluta convicción. La Mecánica Cuántica nos fuerza a reconsiderar las ideas de determinismo y de realidad local objetiva, pone en relieve la idea de descripción efectiva versus conocimiento absoluto. Al tratar de entender su versión avanzada, la Teoría Cuántica de Campos, nos enfrentamos a las ideas de causalidad, a simetrías no válidas como la inversión temporal o a la necesidad de entender el espacio-tiempo como un concepto a posteriori. Además, el objeto de estudio, sea el universo como un todo o las partículas elementales son verdaderos bastiones intelectuales a batir. Por añadir un poquito de broma, la práctica de la investigación también añade una revisión constante de nuestra ética como humanos. Todo es filosofía.
Te paso una notita más filosófica: http://www.euresisjournal.org/default.asp?pagina=415&act=2&id=27
¡Te sigo leyendo atentamente!
JI
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Daniel
30/09/11-09:36
CREO SABER QUE ES LO QUE FALLA EN EL EXPERIMENTO DE LOS NEUTRINOS.
TAL VEZ NO HAYAN TENIDO EN CUENTA LOS EFECTOS DE LA RELATIVIDAD GENERAL.
LA TEORÍA GENERAL DE LA RELATIVIDAD DICE QUE EL TIEMPO PASA MÁS DESPACIO
CUANDO LA GRAVEDAD ES MAYOR Y MÁS DEPRISA CUANDO LA GRAVEDAD ES MENOR.
EN LA SUPERFICIE DEL PLANETA LA GRAVEDAD ES MÁXIMA (9,8 M/S2) ,
MIENTRAS QUE SI ESTUVIÉRAMOS EN EL CENTRO DEL PLANETA LA GRAVEDAD SERÍA CERO
Y EL TIEMPO PASARÍA MÁS DEPRISA QUE EN LA SUPERFICIE.
PUES BIEN, SI LOS NEUTRINOS EN EL EXPERIMENTO RECORREN ESOS 732 KM BAJO TIERRA
A UNOS 11,4 KM DE LA SUPERFICIE, RESULTARÁ QUE VIAJAN POR UNA ZONA DONDE EL TIEMPO
PASA MÁS DEPRISA QUE EN LA SUPERFICIE (DONDE SE ENCUENTRAN LOS RELOJES QUE MIDEN EL
TIEMPO QUE TARDAN).EL RESULTADO ES QUE LOS NEUTRINOS DAN LA IMPRESION DE IR MÁS RAPIDO
QUE LA LUZ, PERO EN REALIDAD SOMOS NOSOTROS (QUE ESTAMOS EN LA SUPERFICIE CON UNA GRAVEDAD MAYOR)
LOS QUE ESTAMOS EN UNA ZONA DONDE EL TIEMPO PASA MÁS LENTAMENTE.
No soy físico , sólo soy ingeniero pero me pica la curiosidad.
Me gustaría que pensarais al respecto y me contestarais. Un saludo.
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Javier Llorente Muñoz
01/10/11-13:03
A pesar de que mi formación no es en física, sí tengo una sólida formación en Ingeniería, por lo que voy a lanzar una hipótesis:
Mi lectura de "neutrinos para observar el cosmos" I&C 416 (Julio del 2010) y "viaje a la escala electrodébil" I&C 415 (Abril del 2010) me hicieron preguntarme lo siguiente:
Si los neutrinos tienen 3 sabores y tres masas que fluctúan de la una a la otra conforme avanzan en el espacio de 3 dimensiones + el Tiempo+otras probables, y la energía intrínseca una vez que parten de su lugar de procedencia por una interacción electrodébil, es fija, entonces según la propia ecuación de Einstein E= mc2, siendo la Energía "E" fija y siendo "m" fluctuante, es obvio que "c" tiene que fluctuar al mismo tiempo que cambia de masa en su viaje.
Probablemente, por los datos de la cosmología de la supernova 1987A se llegue a la conclusión que su velocidad media a lo largo de todas sus fluctuaciones es exactamente "c", sin embargo en ciertas fases de su viaje, aumenta ligeramente su velocidad respecto a "c" o la disminuya, depende de la masa que adopte en un determinado instante. Es posible que la distancia de 700 Km entre los dos detectores o la forma en que se originan en Opera los neutrinos o ambas cosas, obligue a un sesgo en el inicio de la creación de éstos, lo que hace que el tiempo de "vuelo" hasta el gran Sasso propicie un determinado sabor o una determinada masa, lo que explicaría una velocidad ligeramente superior a la de la luz para esos "tiempos de vuelo".
Tomándome cierta licencia y haciendo una semejanza a otras propiedades de la mecánica cuántica, cuyos principios son fundamentalmente estadísticos, lo que ocurre sea algo parecido a los efectos túnel, solo que en este caso es un efecto de tunel temporal, como consecuencia de su variación de masa; los neutrinos forman parte de los efectos de las interacciones electrodébiles, por lo que los define un tensor de 8 dimensiones, con valores distintos de cero en lo que no es la diagonal principal de la matriz en donde están incluídos los valores de masa y "sabor".
Saludos a todos
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José Ignacio
01/10/11-14:06
Hola,
respondo a Daniel.
Hay dos motivos para descartar los efectos de la Relatividad General.
El primero es el orden de magnitud del efecto. Fíjate que el reloj del satélite GPS debe corregirse unos 45 microsegundos al día, es decir es un efecto relativo de 5 10^9. Pero en este caso el satélite se halla en una órbita 20200 km por encima
de la superficie terrestre. En el caso de los neutrinos, este efecto queda aun más reducido porque 140m implicaría un efecto de 10^-15, irrelevante para las medidas que estamos considerando.
El segundo motivo es más refinado. Los retrasos entre relojes se producen cuando están en sistemas de referencia diferentes. Es decir, un reloj observa que el otro va más despacio. Así sucede entre los relojes de la superficie terrestre y de los satélites GPS. El satélite se halla en un sistema en caída libre, el de la superficie no. En cambio en la situación de los neutrinos, tanto el reloj del CERN como el de Gran Sasso están en el mismo sistema de referencia. De hecho puedes imaginar a los fotones y los neutrinos que van de uno a otro como un reloj que va haciendo tic. En un sistema de referencia concreto, las partículas sin masa viajan a c.
Llevamos unos pocos días y ya han aparecido más de 70 artículos presentando posibles explicaciones a la observación de neutrinos que (supuestamente) viajan más rápidamente que la luz. Esta claro que este experimento se ha convertido en un revulsivo para la comunidad.
cheers, ji.
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José Ignacio
02/10/11-09:40
Hola, respondo a Javier.
Los términos de masa no alteran la velocidad máxima de una partícula. Si una partícula no tiene masa, siempre viaja a c. Si tiene masa, su velocidad depende de la energía que tiene pero nunca sobrepasa c.
La forma en que esto se implementa en las teorías cuánticas de campo es a través de lo que se denomina lagrangiano. Para hacerlo más sencillo, si la partícula no tiene spin, ni números cuánticos especiales, su lagrangiano invariante Lorentz tiene la forma
L=\integral d^4x phi(x) (box+m^2) phi(x)
donde phi(x) es el campo que describe a la partícula. Este lagrangiano tiene
pues dos partes: box y m^2, donde
box= 1/c^2 d^2/dt^2- d^2/dx^2-d^2/dy^2-d^2/dz^2
es el d'alambertiano.
De aquí se deduce la famosa ecuación
E^2=c^2 p^2 +m^2 c^4
La velocidad que da definida como la derivada de E respecto de p.
Si la partícula tiene masa, la velocidad es menor a c, siendo su máximo c.
El experimento de los neutrinos parece detectar velocidades supralumínicas. No podemos acomodar ese resultado en el marco estándar. Una posible solución sería aceptar masas m^2<0, lo que recibe el nombre de taquiones y es una solución muy feota.
un saludo, ji.
De ahí el gran revuelo.
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mario
02/10/11-15:47
yo creo que habria que tener en cuenta la distancia tal ,vez la distancia no sea la misma para los neutrinos que para luz ,porque los primeros se propagan por una dimension diferente o un efecto tunel o como quieran llamarlo entonces no se violaria el limite de la velocidad de la luz sino que el neutrino llegaria antes no porque iria mas rapido sino porque reciorreria menor distancia.
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marcelo amaya
13/10/11-22:54
Señores y señoras, la relatividad contempla este fenomeno, la respuesta esta en la masa imaginaria (imaginaria de componente imaginaria, no de imaginacion), ni la relatividad se cae ni el experimento es errorneo.
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Alberto
15/10/11-00:57
Experimento a realizar: Medir la velocidad del neutrino dentro de un rayo de luz. Podría ser que vaya más rápido moviendose dento de la materia (mientras no choque con el núcleo interno de las partículas) y vaya aun más rápido dentro de la luz.
Las partículas tienen núcleo interno y externo, el neutrino sólo sería el núcleo interno y se movería más rápido en los núcleos externos que en el vacío y la luz tiene las mismas propiedades que los núcleos externos.
Sé que parece mucha palabrería pero el experimento habría que hacerlo. Y si saliera así entonces tendría sentido leer la teoría que me he inventado que lo predice. ideasdeotraepoca.blogspot.com
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Mario Enrique
19/10/11-13:51
Si hay partículas que interactúan escasamente con la materia bariónica, entonces es cuestión de poco tiempo que podamos ver al pasado como una película de esas partícula ordenadamente. SEUO
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Urdin
16/01/12-07:13
La velocidad de la luz depende del medio que atraviesa. En el agua es más lenta que en el aire y en el vacío más rápida que atravesando ningún otro medio material, pero aun más rápida en un medio sin campos magnéticos ni gravitacionales ( algo que no existe ). Los neutrinos viajan a la verdadera velocidad absoluta ya que ni el medio ni los campos les afectan. En todas las formulas hemos omitido este factor de corrección porque no hemos considerado nunca un medio que no tenga campos G, ni elementos que no sean susceptibles del efecto campo. Los neutrinos no pueden ser desviados de su trayectoría rectilinea por ningún campo o inducciónn es por ello que la gravedad terrestre no les frena. El Principio de Facilidad da la explicación a estos efectos inesperados y proporciona un marco teórico mucho más preciso para la predicción experimental.
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Marinabb28
31/01/12-11:26
Daniel, yo también soy ingeniera y siempre he pensado que en zonas de campo gravitatorio el tiempo se ralentiza, por lo que el tiempo pasa más lentamente en zonas profundas del planeta que en la superficie del planeta, es decir, en la superficie pasaría más deprisa que en las profundidades. Al mismo tiempo, en órbitas externas el tiempo pasaría más rápido ¿No?
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Javier Merinero
24/03/12-14:41
Marinabb28: No. Menor gravedad, más rápido discurre el tiempo, mayor gravedad , más lento. Piensa que en el horizonte de sucesos de un agujero negro en teoría, NO pasa el tiempo, ya que la gravedad es brutal. Gravedad y tiempo son inversos, luego en el centro de la Tierra, la gravedad (debida al campo terrestre) sería 0, luego el tiempo pasaría rápido (sobre todo porque haría un poquito de calor), una cosa parecida a lo que ocurre en los satélites, mientras que en la superficie de la tierra es cuando discurriría más lento el tiempo.
Las diferencias en cualquier caso, aun siendo pequeñas, seguro que se han tenido en cuenta, luego nunca serían la explicación de la discrepancia. Pensemos en que se tienen estos efectos tan insignificantes en cuenta sin problemas para la sincronía de los satélites de GPS, GLONASS o GALILEO con las estaciones de seguimientos terráqueas.
Es evidente, a mi parecer, que la causa está en que las distancias con las que trabaja este experimento no se pueden acotar con más de 10.000 ns de precisión, por lo que una discrepancia de 60 ns en el tiempo de vuelo de las partículas es muy improbable que sea prueba de un cambio de paradigma físico de tanta envergadura. Sin embargo, me asombra el nivel de inventiva que estos asuntos generan en nuestras mentes deseosas de estímulos, aunque es evidente que destronar a Einstein va a necesitar algo más de precisión (o puede que sea imposible).
Si todo este asunto sirve para que la gente se interese por la experimentación física, y acepte que se destinen más fondos a estos asuntos, en lugar de a las televisiones públicas, ¡¡¡¡ bienvenida sea la discrepancia del neutrino !!!!
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Javier Merinero
24/03/12-15:10
Con permiso del profesor, respondo yo también a Javier, creo que en términos más profanos:
E=mc2 lo que expresa es que masa y energía es la misma cosa, y la constante que los relaciona es c2. La velocidad de una partícula respecto a un sistema de referencia forma parte de su energía cinética. Como Einstein postuló que la Energía cinética tenía un tope cósmico asintótico, el correspondiente a una velocidad igual a la de la luz, pues dedujo que a medida que se iba comunicando más y más energía a un cuerpo, la única forma de que no se sobrepasase c era que su masa dependiera de la velocidad (he ahí el cambio de paradigma fundamental), haciéndola infinita justo a velocidad "c". Si calculas esto, de forma bastante sencilla sale E=mc2
Si la energía total de los neutrinos está determinada por su energía de emisión, ésta se reparte en Energía cinética y masa (muy pequeña), luego si fluctúa la masa entre los 3 sabores, pues lo compensan las fluctuaciones de energía cinética, es decir, su velocidad, no la "c" que es la constante de reparto entre una y otra. Es obvio que no cambia la "c".
Saludos.
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Urdin
08/04/12-13:06
Estimados colegas, os oigo hablar de la velocidad del tiempo y me quedo perplejo. Eso de que a mayor gravedad el tiempo transcurre más lento es muy emocionante. Me parece muy fácil de demostrar o desmentir, ¿hay algun experimento que lo que certifique?
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iximeno
08/04/12-13:36
Javier, disculpa que discrepe. E = m*c^2 no expresa que materia y energia sean la misma cosa, si no que la materia es un subproducto de la energía. Cuando hablamos de materia hay que aclarar qué es materia. Materia es energía atrapada. Un electrón atrapado entorno a un protón dando vueltas a una gran velocidad, podría ser un ejemplo de materia. No obstante habría que ir a escalas subatómicas para mostrar la transformación de energía. A la escala del quark, encontrarás la respuesta a la fórmula de Einstein. La energía atrapada en un quark da vueltas entorno a su centro a la velocidad de la luz, formando un remolino esférico. La velocidad de luz absoluta (ç) esta determinada por la cantidad de energía que "cabe" en un quark. Si ahora echas mano de la longitud de plank ( la dimensión mínina ) y calculas la cantidad de espacios mínimos en el área esférica de un quark te encontraras con la fómula de Einstein. La velocidad de la luz es un límite, pero no físico; es mátematico. Ningún elemento puede producir más energía que la que contiene, y por tanto para desplazar materia a mayor velocidad de la luz sin desintegrarla hace falta una fuerza externa a él. La gravedad puede crear un campo de fuerzas externo lo suficientemente fuerte como para acelerar cualquier objeto más allá de la velocidad de la luz, pero cuando se acerca demasiado la materia se descompone, la energía atrapada en la materia se libera y se integra en el magma que genera dicho campo de fuerzas.
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Marinabb28
05/05/12-13:24
Según tengo entendido, en la superficie de la tierra, el valor de la gravedad no es máximo. El máximo se encuentra en el límite del manto inferior y el exterior del núcleo, con un valor de 10.7 m/s^2, superior a la gravedad de la superficie de 9.8 m/s^2.
Con lo cual el tiempo pasaría más lento en esa profundidad que en la superficie de la Tierra. Otra cosa es el centro de la Tierra (donde sí sería cero la gravedad), pero allí no se ha hecho el experimento. A la profundidad donde se ha hecho el experimento, la gravedad sí es mayor que en la superficie de la tierra.
Un saludo.
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Javier Merinero
06/05/12-11:31
Respetado Iximeno: E=mc2 expresa que la energía y la masa son 2 aspectos de la misma cosa. Cuando en física cuántica se ha aceptado que las ondas (propagación de energía, clásicamente hablando) y la materia también son caras de la misma moneda, en el fondo, se está expresando este mismo hecho: Materia (partículas) y energía (ondas) es una división intuitiva humana pero que el mundo físico se ha dignado a revelarnos ahora que es falsa.
Einstein, en su deducción de E=mc2 apenas emplea 3 folios y 10 fórmulas en el último de sus geniales e inigualables artículos de 1905 "¿Depende la inercia de un cuerpo de su contenido de energía?". Puedes verlo en Inglés en http://www.relatividadespecial.com/index.php?option=com_docman&task=doc_view&gid=22&tmpl=component&format=raw&Itemid=
Nada de campos nucleares, ni quarks, ni gaitas de esas. Einstein simplemente aplica como un martillo su nuevo paradigma.
En las ecuaciones de maxell resulta que c era constante para cualquier sistema, y Einstein no hizo más que extenderlo a todo el resto de fenómenos, no sólo a los electromagnéticos. Ello le llevó a deducir que el tiempo y la distancia eran exclusivos de cada observador, llevándose por delante siglos de física clásica.
Si he deducido previamente que nada puede desplazarse más rápido que la luz en ningún sistema dado, hay que aceptar que no podemos acelerar hasta el infinito un cuerpo a base de comunicarle más energía, luego la inercia a ser acelerado, que se conoce como "masa" no puede ya ajustarse a la función lineal newtoniana a=F/m y debe de modificarse para recoger este nuevo paradigma. Y su conclusión es simplemente que la masa "aparente" para un observador determinado va aumentando con la velocidad, es decir, que su inercia varía con el contenido de energía del cuerpo.
Literalmente del artículo de Einstein:
"The mass of a body is a measure of its energy-content"
Si eso no es decir que masa y energía son elementos equivalentes, pues Iximeno, yo, al menos, no te entiendo.
En cuestión de unos meses, este sujeto alejado del mundo académico, trabajador funcionario de una aburrida oficina de patentes, dio a conocer al mundo lo que llevaba años gestando en su cabeza: que ni la distancia ni el tiempo ni la masa eran absolutos. Y como siempre, casi nadie se lo tomo en serio al principio, pero gracias a dios, como siempre, la verdad acaba siendo tozuda y acabó aceptándose de forma general.
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