El fantasma de la ópera

El pasado 23 de septiembre de 2.011, los científicos a cargo del experimento OPERA, anunciaron una observación que, de demostrarse real, resultaría revolucionaria: partículas que viajan por el universo a una velocidad mayor que la luz. Los fantasmagóricos protagonistas de esta singular historia son los neutrinos.

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OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) es un experimento diseñado para estudiar las oscilaciones de los  neutrinos (el cambio de tipo de un neutrino conforme se va propagando). Un haz  de neutrinos muónicos es generado en el CERN (en el acelerador SPS) y tras recorrer unos 730 km de distancia (en unos 3 milisegundos) llega hasta el laboratorio subterráneo de Gran Sasso.

Los neutrinos muónicos pueden oscilar a neutrinos tipo tau durante su viaje y OPERA está preparado para detectar estos neutrinos tipo tau, cuando colisionan con átomos de plomo y producen muones que son fáciles de detectar. Entre las placas de plomo se encuentran unas películas fotográficas en las que se observan las trazas de los muones (que recorren unos pocos micrómetros antes de decaer en neutrinos y un electrón). La idea de este experimento que lleva tomando datos desde 2.008 es muy interesante. Lo que nadie podía esperar, salvo algunos intrépidos científicos, era lo que ha descubierto el grupo de Lión que ha analizado los datos.

Tras tres años de complicadísimos análisis de los datos utilizando las más potentes computadoras, los científicos del experimento OPERA han medido la velocidad de los neutrinos y ha encontrado que se propagan a una velocidad mayor que la luz. ¡Incredible! Y además lo afirman con una confianza estadística de 6,1 sigmas (desviaciones típicas). ¡Incredible! 

¿Cómo  es esto posible? Los neutrinos violarían la simetría CPT (que es un principio fundamental de invariancia o simetría de las leyes físicas que sería equivalente a  la invarianza de las transformaciones de Lorentz en la relatividad de Einstein) o, según algunas teorías de cuerdas, se propagarían por las dimensiones extras del espacio tomando un atajo espacio-temporal, o el proceso de oscilación (cambio de  identidad) de los neutrinos conllevaría un proceso  mecánico-cuántico desconocido que provocaría que den un salto por efecto túnel hacia el pasado, o … (las explicaciones se multiplican, a cual más extravagante y exótica). Sea cual sea la explicación, el experimento OPERA ha descubierto que los neutrinos son superlumínicos.

¿Es totalmente creíble el resultado de este experimento? El experimento es bastante complejo y conlleva multitud de dificultades técnicas (análisis por GPS, sincronización de los relojes atómicos,…) entre las cuales se pueden esconder errores sistemáticos. Los científicos han afirmado, en la conferencia que dio el CERN para mostrar al mundo sus resultados, que han tenido en cuenta todos los errores sistemáticos posibles, pero todo buen escéptico (cualidad imprescindible en un científico) ha de dudar ante todo resultado que viole la teoría de la relatividad de Einstein. La única posición viable y posible es quedar a la espera de que otros experimentos confirmen o refuten este resultado. Quizás el experimento MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search), en el Fermilab, que ya descubrió un efecto similar (aunque con menos de 2 sigmas de confianza estadística) pueda aportar nuevos datos al respecto. Quizás otros experimentos se puedan adaptar para medir la velocidad de los neutrinos, pero lo que está claro es que sin una verificación independiente es imposible ratificar este descubrimiento. Dicha verificación no es trivial y requerirá muchos años de investigación.

El 2 de septiembre de 2.010, un equipo internacional de astrónomos, usando el Telescopio Espacial Hubble, informa de un significativo aumento del brillo de las emisiones de la supernova 1.987A. Los resultados, que fueron publicados en la revista Science, eran consistentes con las predicciones teóricas acerca de cómo las supernovas interactúan con su entorno galáctico inmediato.

En los resultados publicados se detallaba que la velocidad de los neutrinos era igual a la velocidad de los fotones (la velocidad de la luz) con un error relativo menor de \displaystyle\frac{v-c}{c}<10^{-8}, mientras que los resultados mostrados por OPERA indican que la diferencia es mil veces más pequeña: \displaystyle\frac{v-c}{c}<(2,48+0,30)*10^{-5}.

Implica serias dudas que los resultados observados en OPERA no coincidan con los medidos en neutrinos que han atravesado una distancia enorme (168.000 años luz) en su viaje desde la supernova hasta nuestro planeta Tierra. Por supuesto alguien puede alegar que los neutrinos de la supernova han travesado el vacío del universo y que el efecto observado por OPERA es debido a que los neutrinos han travesado el interior de la Tierra. Uffff!!!! Eso sólo sería creíble si se confirmara con otros experimentos en distintos aceleradores ubicados en diferentes situaciones geográficas.

Eso está muy bien, pero también hay que decir que los experimentos de detección de neutrinos generalmente han trabajado en la detección del neutrino electrónico. En la situación actual no podemos decir más que los neutrinos muónicos tienen una v>c según OPERA.

No sabemos si este efecto depende o no del tipo de neutrino, no sabemos si depende de la energía del neutrino, no es lo mismo la energía de los neutrinos (muónicos) OPERA que la de los neutrinos (electrónicos) supernova.  Así que muchas veces hay que tener cuidado con las comparaciones, que hay que hacerlas por supuesto, pero también hay que indicar cuales son las posibles diferencias.

En esta función de ópera, es irremediable no asignarle un papel estelar a nuestra querida partícula elemental: el neutrino. Renuente a la fama, ensimismado y autista, al neutrino le sienta de maravillas el papel de ermitaño. Apostado en un lateral del escenario, intentando pasar desapercibido, le abruma haberse convertido en el personaje del momento. Ante su exasperante mutismo, todos los espectadores caen rendidos intentando traducir el significado de sus silencios. ¡No es para menos! Su capacidad de viajar en el vacío más rápido que la luz podría convertirse en un descubrimiento seminal de la historia de la ciencia.

En estos primeros actos de nuestra función hay que mantener la cautela y el escepticismo vivos. La ciencia en ocasiones erra en sus interpretaciones o pasa por alto fuentes de error en los experimentos. Sea como sea, para poder determinar si la del neutrino es una ópera seria o una bufa, habría que esperar más evidencias.

Pero el neutrino es elusivo. Apenas interactúa con la materia. Nos suele atravesar como si nosotros y el planeta entero no fuéramos más que una etérea  y fantasmagórica imagen suspendida en el universo. Por eso se requiere de enormes detectores que aumenten la probabilidad de que alguna interacción tenga lugar. Se entierran en las profundidades de la tierra, dónde sólo los neutrinos pueden llegar y dejar una huella de su presencia. Nuestra ópera tiene lugar a 1.440 metros bajo tierra (cubiertos por las rocas de la montaña Gran Sasso, en los Apeninos centrales de Italia).

La primera vez que se alzó el telón en la ópera de las partículas elementales, el neutrino usó todos los artilugios habidos y por haber para pasar desapercibido y dejar que los focos del estrellato se destinaran a sus compañeros de viaje: el electrón, el protón o algún otro miembro de la distinguida familia atómica.

El neutrino ha confundido en más de una ocasión a la comunidad científica con la única intención de preservar la faceta ascética de su existencia.

El guión de nuestra función comienza con la ausencia de pistas. En su relato “Resplandor de plata”, Arthur Conan Doyle nos deja un interesante diálogo sobre la ausencia de pistas. El inspector Gregory, de Scotland Yard, le pregunta a Sherlock Holmes: “¿Existe algún otro detalle sobre el que desee llamar mi atención?”. “Si -contesta Holmes-, le invito a reflexionar acerca del curioso incidente del perro aquella noche”. Visiblemente sorprendido, el inspector atinó a señalar: “Pero… ¡si el perro no hizo nada esa noche!”. Los ojos de Holmes se entrecerraron dando paso a una demoledora sentencia: “Ése, precisamente, es el incidente curioso”. 

En aquellos días, la joven Marie Curie, rechazada en la Universidad de Cracovia por ser mujer, obtenía en la Sorbona los grados de matemática y física. Algunos años después, junto a su marido Pierre, mostraría que uno de los tipos de radiactividad, la radiación beta, no era otra cosa que la emisión de electrones por parte del núcleo atómico. Éste, recordemos, está compuesto por protones (de carga eléctrica positiva) y neutrones (eléctricamente neutros). La masa de estos constituyentes es casi idéntica y cerca de dos mil veces mayor que la de los electrones (de carga eléctrica negativa) que orbitan alrededor del núcleo. El neutrón es ligeramente más pesado, poco más de un uno por mil de diferencia. La radiación beta, precisamente, se produce cuando un neutrón se convierte en un protón emitiendo un electrón. La carga eléctrica se conserva en el proceso.

Uno de los principios sagrados de la física es el de la conservación de la energía. Éste lleva, irremisiblemente, a que el electrón emitido deba tener una energía fija y predeterminada. Sin embargo, no es esto lo que ocurre: la energía del electrón emitido varía dentro de un espectro continuo. ¿Se debía echar por la borda el principio de conservación de la energía? Difícil estar dispuesto a semejante alternativa. Dejando de lado a la radiación beta, todos los experimentos verifican la validez de este principio. Niels Böhr, padre de la física cuántica, remedando la perplejidad del inspector Gregory en la búsqueda de una pista elusiva, propuso una hipótesis desesperada: la validez restringida del principio de conservación de la energía. ¿Habrá que proponer por estos días, tal como lo hizo Böhr, una versión restringida de la relatividad de Einstein?

El brillo intelectual del físico austríaco Wolfgang Pauli era proverbial. Einstein dijo que entendía mejor la teoría de la relatividad tras leer la explicación que Pauli escribió sobre ella. Admiraba a Böhr y a tantos otros colegas que parecían dispuestos a poner una mácula en el principio de conservación de la energía. No obstante, probablemente pensara para sus adentros lo mismo que Sherlock Holmes del inspector de Scotland Yard. Todos parecían pendientes del electrón emitido. Cuando una partícula emerge de un proceso deja una señal en los detectores. Ése es su ladrido distintivo. Lo notable, lo que podría dejar a la luz el crimen casi perfecto, es la ausencia del ladrido. ¿Acaso, se preguntó Pauli, había en esta historia un perro enmudecido, una partícula que pasara desapercibida?

En diciembre de 1.930, Pauli dirigió una carta a sus colegas reunidos en Tübingen. “He dado con un remedio desesperado para salvar al principio de conservación de la energía. Me refiero a la posibilidad de que pudieran existir en el núcleo partículas eléctricamente neutras, de masa muy pequeña”, que sean emitidas junto a los electrones. Pero ¿cómo no se habían detectado estas partículas en los experimentos? ¿Debía interpretarse la ausencia de su huella en los detectores como una pista? ¿Se trataría del perro que no ladró cuando todos lo esperaban? La carta concluía de manera enigmática: “Sólo el que persevera triunfa. Entonces, querida gente radiactiva, vean y juzguen”.

Ni Pauli ni sus colegas tenían claro por qué estas partículas resultaban inmunes a la detección. En 1.934, Enrico Fermi escribió la primera teoría del decaimiento beta y denominó neutrino a la partícula de Pauli. Su existencia recién fue confirmada experimentalmente en 1.956 por Frederick Reines y Clyde Cowan, dos años antes de la muerte de Pauli. Al recibir la noticia, por cierto, éste respondió con un escueto telegrama “Gracias por el mensaje. Todo llega para aquel que sabe esperar”. Probablemente no alcanzó a apreciar que, emulando al célebre detective londinense, convirtió un mudo ladrido en un susurro de la naturaleza.

Albert Einstein decía que a los 16 años le surgió la idea de alcanzar un rayo de luz. Correr hasta encontrarse con la luz congelada a su lado. Esto le parecía tan extraño como imposible. Decía que estos pensamientos adolescentes fueron el origen de lo que terminó siendo la teoría de la relatividad. Su primer principio fundamental es que las leyes de la física se ven idénticas desde cualquier laboratorio que se mueva a velocidad constante respecto de cualquier otro (sistemas inerciales). En la jerga científica, se dice que la física preserva la simetría de Lorentz. El segundo principio es que la velocidad de la luz es la misma para cualquier observador.

Una consecuencia de la teoría es que una partícula capaz de superar la velocidad de la luz podría viajar al pasado. Esto no nos gusta, entre otras razones, porque podríamos comunicarnos con nuestra abuela en 1.932 y convencerla de que no vale la pena aceptar la invitación de ese joven pícaro que a la postre será nuestro abuelo. Y si no se llegaran a conocer, nuestra propia existencia se transformaría en una contradicción. La posibilidad de contactar con el pasado rompe con la predictibilidad de las teorías científicas. ¡Una manzana de neutrinos podría golpear la cabeza de Isaac Newton aun antes de desprenderse del árbol!

Si queremos preservar la causalidad en la física, y al mismo tiempo creemos correcto el experimento y la interpretación de OPERA, debemos concluir que la física de neutrinos no puede respetar los postulados de la relatividad. Teorías de este tipo, que violan la simetría de Lorentz, existen desde hace tiempo en el cajón de sastre de la física teórica. Por ahora son especulaciones que se utilizan, con mayor o menor éxito, en el intento de explicar la materia oscura o para explicar otras propiedades exóticas de los neutrinos. Una de las más llamativas, de hecho, es la razón de ser original del experimento OPERA: el estudio de las así llamadas oscilaciones de neutrinos. Resulta que estas partículas vienen en tres  sabores: electrónicos, muónicos y tauónicos.

Durante algunas décadas se dio por sentado que se trataba de tres partículas distintas, que sólo compartían el hecho de no tener masa. Pero a los hechos y milagros de los neutrinos se les aplica la máxima del tango, “todo es mentira”. Los huidizos e irritantes neutrinos no sólo tienen masa, sino que cambian de identidad sin previo aviso, oscilando de una a otra como si vivieran en un perpetuo carnaval.

Para medir la velocidad de los neutrinos, los científicos de OPERA miden el tiempo que éstos demoran en viajar los 732 km que separan, en una línea recta por el interior de la corteza terrestre, a la fuente de emisión -en el CERN, en la frontera franco-suiza- del detector, bajo la dura roca del Gran Sasso. De acuerdo a los investigadores del proyecto, la distancia ha sido medida con un error menor a los 20 cm, utilizando la más moderna tecnología GPS.

Los tiempos son medidos utilizando relojes atómicos que pueden resolver intervalos de hasta 10 nanosegundos (la cien millonésima parte de un segundo). El experimento parece indicar que en su carrera los neutrinos llegan 60 nanosegundos antes que lo que demoraría la luz en recorrer el mismo trayecto en el vacío, adelantándose unos 18 metros. Esto es, la velocidad de estos neutrinos sería cerca del 0,002% mayor que la de la luz. En el trayecto, remedando la facilidad con la que Usain Bolt gana en las distancias cortas, a los neutrinos muónicos que salen del CERN les da tiempo de convertirse en tauónicos, justo a la medida de los detectores diseñados en Gran Sasso.

¿Hay un error experimental que no se ha identificado? ¿Una interpretación equivocada de lo que ocurre? Es lo más probable. No obstante, la presentación de estos resultados pasó su primera prueba de fuego al salir indemne de una expectante conferencia en el auditorio principal del CERN. Quizás no había allí nadie atento a las pistas silenciosas que Holmes nos enseñó a tener en cuenta. Sea lo que sea, la ópera de los neutrinos superlumínicos parece destinada a capturar la atención del mundo científico por un buen tiempo.

No deja de ser irónico que la partícula elemental menos interactuante de cuantas conocemos sea aquella que nos tuvo a punto de tirar por la borda el principio de conservación de la energía y ahora, varias décadas después, la relatividad especial y la simetría de Lorentz. Nos aventuramos a confiar en que un error sistemático sea detectado pronto y podamos seguir disfrutando de la belleza indómita y centenaria de la teoría de la relatividad. De no ser así, contamos con una posibilidad inquietante: la de poder regresar del futuro a su debido tiempo para borrar estas líneas y no dejar huella de nuestra fallida predicción.

Sin embargo, “la mayoría de los físicos sospechan que hay errores sistemáticos sutiles, aún por descubrir, pues el experimento es muy complicado,” como recuerda Rob Plunkett del experimento MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search) en el Fermilab, cerca de Chicago. La mayoría de las dudas apuntan a dos elementos, la sincronización mediante GPS y las diferencias entre la forma de la señal en el CERN (el tren de protones) y en Gran
Sasso (el tren de neutrinos).

El físico teórico Carlo Contaldi explica que los físicos de OPERA, en sus cálculos, no tuvieron en cuenta las pequeñas diferencias en la fuerza de la gravedad en los dos lugares (de origen y de destino de los neutrinos en ese experimento) que harían que los relojes hicieran tictac a ritmo  ligeramente diferente, obedeciendo a la Relatividad General tan verificada experimentalmente, explica la revista Nature. La idea es que los relojes no estarían sincronizados con la precisión requerida.

Como la atracción gravitatoria en Ginebra (el origen de los neutrinos) es ligeramente más fuerte a la de Gran Sasso (la meta, en los Apeninos), el primer reloj iría algo más despacio que el segundo, por lo que el tiempo empleado por los neutrinos en recorrer los 730 kilómetros sería, en realidad, ligeramente superior a lo que los datos de OPERA indican, lo suficiente, sugiere Contaldi, para dejar en suspenso la presunta velocidad superlumínica de las partículas que se ha anunciado. Otros físicos apuntan que el efecto sería insignificante.

En el experimento se han lanzado haces de paquetes de neutrinos desde el complejo de aceleradores del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN, junto a Ginebra) hacia el laboratorio de Gran Sasso. Los neutrinos apenas interaccionan con la materia, por lo que atraviesan la roca del subsuelo limpiamente a lo largo de los 730 kilómetros de distancia entre el origen y el destino, sin necesidad de un túnel entre el CERN y Opera, como dijo la ministra italiana de Instrucción, Universidad e Investigación, Mariastella Gelmini, al presentarse los datos de OPERA.

Gelmini incluso se congratuló por la contribución italiana de 45 millones de euros para la construcción de ese túnel inexistente, provocando la hilaridad en medio mundo. Tampoco se han lanzado haces de neutrinos y de fotones paralelamente, como alguien ha dicho, para ver cual llega antes. Es obvio que los fotones de luz no pueden atravesar la tierra como los neutrinos sin un túnel como el de Gelmini.

Los científicos de OPERA lo que han hecho es medir el tiempo que tardan los neutrinos en recorrer la distancia entre el punto de partida en el CERN y el detector en Italia recurriendo a relojes atómicos sincronizados y sistemas avanzados de GPS, teniendo incluso en cuenta movimientos geológicos, y compararlo con el tiempo que tardaría la luz en recorrer esa misma distancia de 731 kilómetros a su velocidad constante de 300.000 kilómetros por segundo en el vacío. Según sus resultados, los neutrinos tardan 60 nanosegundos menos de lo que tardaría la luz.

Dario Autiero, coordinador de OPERA, responde en Nature que el argumento de Contaldi se debe a que no se ha entendido del todo cómo se ha hecho la sincronización de los relojes en el experimento. Por ello, anuncia que el equipo va a revisar el artículo en el que han presentado los resultados para aportar más detalles y pormenores del trabajo.

Contaldi ha calculado que si se ha pasado por alto el sutil efecto de la gravedad sobre los relojes, los resultados de la medida de la velocidad de los neutrinos pueden variar en decenas de nanosegundos, lo que podría dejar los resultados de OPERA en el rango de la normalidad, es decir, con los neutrinos respetando el límite universal de velocidad.

Andrew G. Cohen y Sheldon L. Glashow (Premio Nobel de Física y una de las grandes autoridades en partículas elementales), ambos de la Universidad de Boston (EE.UU.), afirman que si estas partículas superasen la velocidad de la luz, los datos registrados en el detector OPERA serían bien distintos de lo que sus responsables han anunciado. Dicho de manera muy sencilla, el análisis de estos dos físicos indica que unos neutrinos superlumínicos perderían energía muy rápidamente y el OPERA habría detectado solo los de energía inferior a un cierto límite, mientras que en los resultados que se han presentado hay neutrinos por encima de ese límite. “Por lo tanto, refutamos la interpretación superlumínica de los resultados de Opera”, escriben Cohen y Glashow en su análisis, titulado Nuevas restricciones a las velocidades del neutrino.

Los datos del experimento, que han dado la vuelta al mundo por las implicaciones que tendrían si fueran ciertos, indican que los neutrinos que se lanzan desde un acelerador del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), junto a Ginebra, recorren 730 kilómetros hasta llegar al OPERA (en el laboratorio de Gran Sasso, bajo los Apeninos) a una velocidad superior a la de la luz. El revuelo provocado por el anuncio de estos datos se debe a que, según la teoría de la Relatividad Especial de Einstein, de 1.905, nada puede ser más rápido que la luz.

Los científicos de OPERA fueron prudentes el pasado día 23 al presentar su trabajo en el CERN y se ciñeron a sus resultados, afirmando que habían detectado una velocidad superlumínica de los neutrinos. Pero la opinión general entre los especialistas ha sido, desde el primer momento, que algo falla en dicho experimento. Además, como siempre en ciencia, hay que reproducir el ensayo y obtener los mismos resultados en otra instalación diferente para darlos por buenos. Un experimento en Japón y otro en Estados Unidos, al menos, tienen capacidad de hacerlo.

Cohen y Glashow también recomiendan reproducir el experimento en otro sitio, pero ahora, en su análisis, sustentado en investigaciones anteriores de Sidney R. Coleman y el propio Glashow, no se refieren a las medición de tiempos y distancias u otros parámetros técnicos del trabajo realizado en el OPERA que pudieran inducir falsos resultados sobre la velocidad de los neutrinos, sino, como físicos teóricos que son, se basan en puras leyes de la física bien establecidas y contrastadas.

Su argumento parte del hecho de que una partícula no puede desintegrarse en sí misma más otras partículas, porque el resultado de la desintegración sería más masivo, o de mayor energía, que la partícula original. Sin embargo, si los neutrinos fueran superlumínicos, se podrían desintegrar en otras partículas, incluidos esos mismos neutrinos con una energía inferior. Esto sucedería exclusivamente a los neutrinos con una energía superior a un determinado umbral: se desintegrarían en el camino desde el CERN y no llegarían a Gran Sasso. En OPERA, por el contrario, se han detectado neutrinos de energía alta y baja, es decir, que los primeros no se han desintegrado.

La idea es que si uno viaja a tanta energía se frena porque va irradiando y se queda en la energía más baja. Esto implica, según Cohen y Glashow, que la interpretación superlumínica de los datos de Opera es inconsistente, sin necesidad de acudir a más observaciones que las del propio experimento OPERA.

Dichos autores han dado a conocer su artículo (igual que los científicos de OPERA) en el sitio de Internet donde suelen hacerlo los físicos antes de que su trabajo pase por el proceso de revisión entre pares obligado para su publicación en las revistas científicas. Pero este procedimiento de adelantar los trabajos en Internet agiliza el escrutinio entre colegas de los resultados. El error en el análisis de los datos OPERA, si lo hay, está por descubrir.

Según otras opiniones, la fuente del error puede estar en el ajuste del frente de los trenes de protones y de neutrinos. En óptica no lineal, cuando se observa la propagación superlumínica de señales siempre es debido a este problema, definir correctamente cuando ha llegado el tren de fotones (paquete de ondas) debido a que su forma no coincide con el tren emitido y utilizar el mismo criterio en ambos no está justificado. Para los aficionados al deporte quizás ayude saber que este problema es el mismo que el de la foto finish. Se supone que el instante de llegada del corredor es cuando su pecho supera la línea de meta, pero que pasa si el atleta torsiona su cintura al llegar y lo que se observa en la foto finish es la llegada del hombro; o si estira el brazo y lo que llega primero a meta es la parte del pecho cercana al cuello; o que si pasa si hay atletas más altos y más bajos; cuándo llegó el centro del pecho a cruzar la línea es un problema que requiere el criterio de los jueces de la competición y este criterio puede variar de un juez a otro. La forma del frente del tren de protones (donde se inicia la cuenta de tiempos en el CERN) se utiliza como referencia (línea roja) y se ajusta a la forma del frente del tren de neutrinos (donde finaliza la cuenta de tiempos en Gran Sasso). Obviamente, los científicos de OPERA han considerado esta posibilidad en detalle, pero en este tipo de experimentos la duda siempre surge. Abajo se muestra la figura original de los frentes y la misma figura con la línea roja en blanco, ¿por dónde dirías que debería pasar la línea roja? Por cierto, la incertidumbre horizontal de los puntos es de unos 50 ns y se ha medido una diferencia de tiempos de solo 60 ns. ¡Hay poco más que decir!.

Se ha especulado mucho acerca de la velocidad superlumínica de los neutrinos del experimento OPERA y su contradicción con la teoría de la relatividad especial enunciada por Albert Einstein. La Relatividad Especial limita la velocidad máxima de las partículas con masa en reposo no nula y real. Este límite es la velocidad de la luz. Si la masa al cuadrado de una partícula fuera negativa (masa imaginaria), la Relatividad Especial también limitaría la velocidad de esas partículas pero por abajo. La partículas con masa imaginaria siempre viajarían a velocidades mayores que la velocidad de la luz, sin posibilidad de descender por debajo de ella.

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

Por tanto, la relatividad especial no dice que nada pueda viajar a v>c.  Lo que dice la relatividad especial es que ninguna partícula con masa en reposo real, no nula, y positiva puede alcanzar la velocidad de la luz en el vacío.

Pero los taquiones pueden existir y no están excluidos por la relatividad especial y pueden tener una masa al cuadrado negativa (una masa imaginaria) los que los obligaría a ir siempre a v>c, porque en este caso la relatividad especial dice que este tipo de partículas no puede ir a una velocidad menor que c.

Hemos de precisar aquí que en la naturaleza encontramos sistemas que no tienen masa en reposo, sólo tienen energía, el ejemplo arquetípico son los fotones o partículas de luz. Dichas partículas sólo se pueden mover a la velocidad de la luz (siempre hablando en el vacío mientras no se indique lo contrario).

Es decir, la Relatividad Especial sólo singulariza una velocidad c.  Todas las demás están igualmente permitidas.  Pero c además de ser la velocidad que todo observador inercial percibe igual independientemente de su propia velocidad, es una cota máxima para las partículas con masa en reposo no nula y una cota inferior para las partículas denominadas taquiones.

Queda claro que no se puede decir que “los neutrinos llegan antes de salir“, ni que “el CERN desmuestra que Einstein se equivocó”, etc.  Hay que enteder todo esto bien, pero no hay que perder la cabeza. En fin, que esto se ha puesto la mar de interesante.

Habría que explicar si los neutrinos tienen una característica especial que los hace poder viajar a esas velocidades.  Las soluciones que se han propuesto son variadas:  Son capaces de viajar por dimensiones extra y por tanto viaja a una velocidad menor que c pero el camino entre emisor y receptor es más corto de lo que aparece en nuestras dimensiones.

¿Son los neutrinos taquiones? ¡Guauuuu, impresionante pregunta! ¡E impresionantes las consecuencias que tendría! ¡La presencia de taquiones es devastadora en una teoría cuántica de campos porque el vacío sería inestable, básicamente el universo no podría existir!

De ser cierta la noticia de que la relatividad especial habría sido refutada, la física se tambalearía sobre sus propios cimientos.

  1. El electromagnetismo, que ha sido comprobado experimentalmente en incontables ocasiones y en las más diversas ocasiones, es una teoría puramente relativista así que deberíamos de explicar por qué ha funcionado tan bien hasta ahora.
  2. Las teorías que se basan en la invariancia relativista son muchas, la más importante la teoría cuántica de campos. Y en teoría cuántica de campos tenemos el teorema CPT que nos dice que por cada partícula hay una antipartícula de igual masa.  Esto se ha comprobado y en ningún experimento de partículas se ha visto una violación de CPT.  Pero también las cuerdas sufrirían un poco porque uno de sus pilares es asegurar que la invariancia Lorentz se preserva (es decir que la relatividad especial es correcta) y de hecho ese detalle es uno de los que fuerzan a que la teoría tenga dimensiones extra.

¿Continuará?

Referencias:

José Edelstein, Académico de la Universidad de Santiago de Compostela.

Andrés Gomberoff S., Vicerrector de Investigación y Doctorado de la UNAB.

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2 respuestas a El fantasma de la ópera

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