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 están llegando simultáneamente a la Tierra. Las búsquedas terrestres incluyen mediciones de tiempo de vuelo utilizando relojes sincronizados y comparación directa de la velocidad de los neutrinos con la velocidad de otras partículas.

Dado que se establece que los neutrinos poseen masa, la velocidad de los neutrinos de energías cinéticas que van desde MeV a GeV debe ser ligeramente menor que la velocidad de la luz de acuerdo con la relatividad especial . Las mediciones existentes proporcionaron límites superiores para desviaciones de aproximadamente ^10-9 , o unas pocas partes por mil millones . Dentro del margen de error, esto es consistente con ninguna desviación.

Visión general

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

Energía	10 eV	1 KeV	1 MeV	1 GeV	1 TeV
${\displaystyle |v-c|/c}$	${\displaystyle \scriptstyle \lesssim 10^{-4}}$	${\displaystyle \scriptstyle \lesssim 10^{-8}}$	${\displaystyle \scriptstyle \lesssim 10^{-14}}$	${\displaystyle \scriptstyle \lesssim 10^{-20}}$	${\displaystyle \scriptstyle \lesssim 10^{-26}}$

Durante mucho tiempo se asumió en el marco del modelo estándar de física de partículas que los neutrinos no tienen masa. Por lo 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 de neutrinos m se estima actualmente en 2 eV / c², y posiblemente sea incluso inferior a 0,2 eV / c². De acuerdo con el 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 del tiempo de vuelo realizadas hasta ahora investigaron neutrinos de energía por encima de 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 aún se llevan a cabo tales mediciones está relacionada con la posibilidad teórica de que puedan surgir desviaciones significativamente mayores de la velocidad de la luz en determinadas circunstancias. Por ejemplo, se postuló que los neutrinos podrían ser una especie de partículas superlumínicas 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 superluminales también se han estudiado en marcos de violación de invariancia de Lorentz motivados por variantes especulativas de la gravedad cuántica , como la Extensión del modelo estándar según la cual pueden surgir oscilaciones de neutrinos que violan Lorentz . ^[4] Además de las mediciones de tiempo de vuelo, esos modelos también permiten determinaciones indirectas de la velocidad de los neutrinos y otras búsquedas modernas de violación de Lorentz . Todos esos experimentos confirmaron la invariancia de Lorentz y la relatividad especial.

Fermilab (década de 1970)

Fermilab realizó en la década de 1970 una serie de mediciones terrestres, en las que se comparó la velocidad de los muones con la de 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: los protones de 400 GeV golpean el objetivo y provocan la producción de haces secundarios que consisten en piones y kaones . Luego se descomponen en un tubo de descomposición evacuado de 235 metros de longitud. Los hadrones restantes fueron detenidos por un vertedero secundario, de modo que solo los neutrinos y algunos muones energéticos pueden penetrar el escudo de tierra y acero de 500 metros de longitud, para llegar al detector de partículas .

Dado que los protones se transfieren en grupos 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 conduciría a un alargamiento de los racimos de neutrinos y a un desplazamiento de todo el espectro de tiempo de neutrinos. Al principio, se compararon las velocidades de muones y neutrinos. ^[5] Posteriormente, también se observaron antineutrinos. ^[6] El límite superior para las desviaciones de la velocidad de la luz fue:

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

Esto estaba de acuerdo con la velocidad de la luz dentro de la precisión de 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 157000 ± 16000 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 lo tanto, 1.000000002 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 por la circunstancia de que los neutrinos que casi no interactúan podían pasar la supernova sin obstáculos, mientras que la luz requería 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 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 en el detector MINOS cercano y lejano, separados entre sí por 734 km. Los relojes de ambas estaciones fueron sincronizados por GPS y se utilizaron fibras ópticas largas para la transmisión de señales. ^[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 más rápido que la luz. La principal fuente de error fueron las incertidumbres en los retrasos de la fibra óptica. La significancia estadística de este resultado fue menor a 1.8 σ , por lo que no fue significativo ya que se requiere que 5σ sea aceptado como un descubrimiento científico.${\displaystyle \scriptstyle (5.1\pm 2.9)\times 10^{-5}}$

A un nivel de confianza del 99% se le dio ^[11]

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

una velocidad de neutrino mayor que 0.999976c y menor que 1.000126c. Por tanto, el resultado también es compatible con velocidades subluminales.

ÓPERA (2011, 2012)

Anomalía

Artículo principal: anomalía de neutrinos más rápida que la luz

En el experimento OPERA se han utilizado neutrinos de 17 GeV , divididos en extracciones de protones de 10,5 µs de longitud generados en el CERN , que impactan en un objetivo a una distancia de 743 km. Luego se producen piones y kaones que se descomponen parcialmente en muones y neutrinos muónicos ( CERN Neutrinos a Gran Sasso , CNGS). Los neutrinos viajaron más allá al Laboratori Nazionali del Gran Sasso(LNGS) a 730 km, 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 16000 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 neutrinos más rápida que la de la luz. Contrariamente al resultado de MINOS, la desviación fue 6σ y, por lo 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 grupos cortos de 3 ns a intervalos de 524 ns, de modo que cada evento de neutrinos pudiera conectarse directamente a un grupo de protones. La medición de veinte eventos de neutrinos dio nuevamente una llegada anticipada de alrededor de 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 de cable errónea en una tarjeta de computadora, lo que hacía que los neutrinos aparecieran más rápido de lo esperado. El otro era un oscilador fuera de su especificación, lo que hacía que los neutrinos parecieran más lentos de lo esperado. Luego, se comparó el tiempo de llegada de los muones cósmicos de alta energía a OPERA y el detector LVD coubicado entre 2007-2008, 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 la 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)), indicó que los neutrinos en realidad no eran más rápidos que la luz. ^[19]

Resultado final

Finalmente, en julio de 2012, la colaboración de OPERA publicó un nuevo análisis de sus datos de 2009-2011, que incluyó los efectos instrumentales mencionados anteriormente, y obtuvo límites para las diferencias de 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:

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

Asimismo, el nuevo análisis correspondiente para la viga agrupada de octubre y noviembre de 2011 coincidió con este resultado:

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

Todos esos resultados son consistentes con la velocidad de la luz, y el límite de la diferencia de velocidad es más preciso en un orden de magnitud que las mediciones de tiempo de vuelo terrestres anteriores. ^[20]${\displaystyle 10^{-6}}$

GNL (2012)

Continuando con las mediciones de OPERA e ICARUS, los experimentos de LNGS 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 de haz agrupado. Todas las mediciones fueron consistentes con la velocidad de la luz. ^[19] El haz de neutrinos muón de 17 GeV consistió en 4 lotes por extracción separados por ~ 300ns, y los lotes consistieron en 16 racimos separados por ~ 100ns, con un ancho de racimo de ~ 2ns. ^[21]

Borexino

La colaboración de Borexino analizó tanto la repetición de vigas agrupadas 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 de 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 realizaron una medición de geodesia de alta precisión independiente junto con LVD e ICARUS. Se podrían usar 62 eventos de neutrinos para el análisis final, dando un límite superior más preciso para las diferencias de 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 de 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 cronometraje de LNGS de la colaboración Borexino y los datos geodésicos obtenidos por LVD, Borexino e ICARUS (ver arriba). También actualizaron sus contadores de centelleo y el gatillo . Se han utilizado 48 eventos de neutrinos (a energías superiores a 50 MeV, la energía media de los neutrinos fue de 17 GeV) para el análisis de mayo, mejorando el límite superior para las diferencias de 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 de 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 función de cronometraje de Borexino. Se han evaluado 25 eventos de neutrinos para el análisis final, lo que arroja un límite superior para las diferencias de 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 excedan la velocidad de la luz en más de (95% CL).${\displaystyle 1.6\times 10^{-6}c}$

ÓPERA

Después de la corrección de los resultados iniciales, OPERA también publicó sus mediciones de mayo de 2012. ^[25] Se utilizó un sistema de cronometraje independiente adicional y cuatro métodos de análisis diferentes para la evaluación de los eventos de neutrinos. Proporcionaron un límite superior para las diferencias de tiempo de vuelo entre neutrinos ligeros y de muones (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 anti-muones (3 eventos de neutrinos):

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

coherente 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 profundizó en sus mediciones de velocidad de 2007. Examinaron los datos recopilados durante siete años, mejoraron el sistema de cronometraje GPS y la comprensión de las demoras de los componentes electrónicos, y también utilizaron equipos de cronometraje mejorado. Los neutrinos abarcan un derrame de 10 μs que contiene 5-6 lotes. Los análisis se han realizado de dos formas. Primero, como en la medición de 2007, los datos del detector lejano se determinaron estadísticamente por los datos del detector cercano ("Enfoque de derrame total"): ^{[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 lotes en sí ("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 cronometraje. En particular, se ha instalado un "Monitor de corriente de pared resistiva" (RWCM) que mide la distribución de tiempo 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 podrían estar relacionados 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 de la velocidad de los neutrinos

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 del neutrino 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 los de Stecker et al. : ^[31]

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

Para conocer más límites indirectos de este tipo en neutrinos superlumínicos, consulte Búsquedas modernas de violación de Lorentz § Velocidad del neutrino .

Referencias

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Belletrístico relacionado

• "60,7 nanosegundos", de Gianfranco D'Anna ( ISBN 978-3-9524665-0-6 ): una novela inspirada en la afirmación del neutrino superluminal, que narra en 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