¿Neutrinos más rápidos que la luz?

Aquí se plantean diversas cuestiones: ¿qué son los neutrinos?, ¿en qué consiste el experimento?, ¿hasta qué punto es fiable?, ¿cómo ha reaccionado la comunidad científica? Pero vamos a comenzar por la más básica: ¿por qué este resultado sería tan importante?

En 1905 Einstein (con sólo 26 años de edad) sentó las bases de la Teoría Especial de la Relatividad, una teoría revolucionaria que modificaba de forma insospechada conceptos que parecían inamovibles, como los del espacio y el tiempo. La Teoría de la Relatividad es realmente soberbia por su belleza y su fantástico grado de precisión al describir la naturaleza. Se basa en dos principios simples. El primero, enunciado ya por Galileo en 1638, es que las leyes de la naturaleza son las mismas en un sistema en reposo y otro con velocidad constante. El segundo es que la velocidad de la luz (en el vacío) es la misma siempre para cualquier observador. A partir de estos dos principios, a los que nunca se ha encontrado ningún fallo, se deducen una serie de consecuencias sorprendentes, pero que han sido también verificadas hasta la saciedad durante 100 años. Por ejemplo, la famosa fórmula E=mc², comprobada todos los días en los aceleradores de partículas y las centrales nucleares, es una consecuencia de estos principios. Otra consecuencia es que por mucha energía que añadamos a un objeto en movimiento nunca superará la velocidad de la luz. Se irá aproximando a ella, pero nunca la superará. Este resultado ha sido también repetidamente verificado en los aceleradores de partículas, y es el que los díscolos neutrinos supuestamente violarían, echando por tierra la validez de la teoría.

Una consecuencia sorprendente de la Teoría de la Relatividad es que el tiempo transcurre con distinta rapidez según la velocidad del observador. Si nos movemos a velocidades cercanas a la de la luz, cuando para nosotros ha pasado un minuto, para los observadores en reposo ha pasado bastante más. Este hecho extraordinario ha sido también verificado repetidamente. Por ejemplo, al acelerar partículas inestables a velocidades cercanas a la de la luz, su tiempo de vida crece en un acuerdo perfecto con las predicciones de la teoría. Si las partículas se desplazaran a la velocidad de la luz, nosotros (observadores externos) veríamos que el tiempo se ha “congelado” para ellas. Y si fueran a una velocidad mayor (lo que está prohibido por la teoría) veríamos que su tiempo transcurre “hacia atrás”, algo inconcebible. Éste sería el caso de los neutrinos del experimento OPERA. En otras palabras, de ser cierto, ¡a los neutrinos les habría parecido que llegaban a su destino antes de iniciar su trayecto! Esto ha dado lugar a algunos titulares de prensa afirmando que el experimento da base a posibles viajes hacia atrás en el tiempo.

Por supuesto, en ciencia no hay ninguna teoría sagrada, y la de la Relatividad tampoco lo es. Sin embargo, la comunidad de físicos teóricos es muy escéptica ante la posibilidad de que este experimento vaya a echarla por tierra. No es que haya un sentimiento religioso hacia la teoría o hacia su creador. En realidad, a los físicos nos encantaría vivir una revolución científica de esta envergadura. Pero las aparentes contradicciones a que daría lugar hacen pensar que debe haber algún error en el análisis experimental. Es cierto que los físicos estamos acostumbrados a pensar “en clave relativista”, y que si la teoría ha de ser finalmente revisada, seguramente muchas de nuestras intuiciones (y prejuicios) resultaría que son incorrectos. La intuición de los físicos no es necesariamente una guía fiable. Pero sin duda, una afirmación de este calado requiere pruebas mucho más fuertes para ser aceptada. Los propios investigadores de OPERA admiten que el resultado es inverosímil, por lo que sospechan que debe haber algún error que ellos no son capaces de encontrar.

A pesar de este escepticismo, los físicos teóricos han producido en este mes y medio una gran cantidad de artículos explorando posibles causas de esta presunta violación de la Relatividad Especial

Ya es hora de que describamos brevemente el experimento de la polémica. El experimento comienza en el CERN, el laboratorio europeo de física de partículas que se encuentra cerca de Ginebra; y más concretamente en el complejo de anillos aceleradores de protones del LHC, situado a 100 m de profundidad. Algunos de esos protones son desviados y se les hace chocar contra unos bloques de grafito. En el proceso se producen muchos piones y kaones (tipos de partículas elementales) que a su vez se desintegran a lo largo de un túnel, produciendo muones (otras partículas elementales) y neutrinos de tipo muónico (hay neutrinos de otros dos tipos). El túnel está orientado de forma que los neutrinos producidos apunten directamente a Gran Sasso, un macizo montañoso en los Apeninos italianos, debajo del cual se encuentran los detectores del experimento OPERA, destinados a capturar los neutrinos procedentes del CERN. Hay que hacer notar que los neutrinos viajan desde el CERN a Gran Sasso por debajo de la superficie terrestre. Los neutrinos son partículas elementales fascinantes, que se distinguen por su pequeñísima masa (la más pequeña de todas la partículas elementales conocidas) y por su debilísima interacción con el resto de la materia. Esta última propiedad es la que les permite atravesar la Tierra sin problemas. Para un neutrino la Tierra es casi perfectamente transparente. De hecho los neutrinos sólo pueden ser detectados por el experimento OPERA gracias a que llegan en cantidades extraordinarias procedentes del CERN. Y sólo uno de cada muchos billones es detectado.

El objetivo final del experimento OPERA no era medir la velocidad de los neutrinos, sino explorar un fenómeno cuántico llamado “oscilación de neutrinos”, por el que los neutrinos de un determinado tipo cambian su naturaleza a lo largo de su vuelo. Pero para realizar dicha exploración era necesario determinar con precisión la velocidad de los neutrinos, y aquí es donde surgió la sorpresa. Naturalmente, medir la velocidad de los neutrinos no es tarea fácil. Recordemos que la velocidad es la distancia recorrida dividida por el tiempo empleado en recorrerla. Por tanto, medir la velocidad de los neutrinos equivale a medir la duración de su vuelo y la distancia recorrida. Para lo primero hay que determinar con enorme precisión el instante en el que los protones golpean el bloque de grafito en el CERN y el instante en que el neutrino correspondiente es detectado en OPERA. Para ello se usan dos relojes atómicos idénticos situados en el CERN y en OPERA, sincronizados mediante un sistema GPS. Además hay que tener en cuenta todos los retrasos producidos por la transmisión electrónica de las distintas señales. El tiempo de vuelo de los neutrinos es de unos 0,0024 segundos y, aparentemente, se consigue medir con una precisión de 10 nanosegundos, o sea del 0,0004%, después de un análisis cuidadoso de todas las incertidumbres en juego. Por otro lado, hay que determinar la distancia en línea recta entre el punto de origen y el punto de llegada. Esta distancia es de, aproximadamente, 730 Km. Notemos que se trata de la distancia entre dos puntos a gran profundidad bajo tierra por lo que su medida precisa entraña grandes complicaciones, incluido un análisis cuidadoso de la orografía del terreno. Aún así, de acuerdo con los investigadores de OPERA es posible determinarla con una precisión de 20 cm, es decir un error menor del 0,00003%. A partir de estas medidas se obtiene que los neutrinos llegan a su destino 60 nanosegundos antes de lo que deberían si viajaran a la velocidad de la luz, lo que de ser cierto implicaría que vuelan 6 Km/s más rápido que ella.

Como decíamos arriba, la reacción de la comunidad científica ha sido sobre todo de escepticismo, aún reconociendo que los investigadores de OPERA han hecho un trabajo concienzudo. La sospecha general es que alguna incertidumbre experimental no ha sido tenida en cuenta adecuadamente. A pesar de este escepticismo, los físicos teóricos han producido en este mes y medio una gran cantidad de artículos explorando posibles causas de esta presunta violación de la Relatividad Especial. Se ha escrito mucho, pero en el fondo nadie acaba de tomárselo muy en serio. La situación puede aclararse en poco tiempo. Un experimento norteamericano podría próximamente realizar una medida semejante para confirmar o refutar los resultados de OPERA. Y los propios investigadores de OPERA planean un refinamiento de su experimento para que sea más fiable y preciso. Hasta ese momento, podemos aprovechar para soñar con una revolución científica de primer orden.