El misterio de los neutrinos más rápidos que la velocidad de la luz resuelto por la Relatividad Especial


Ya han pasado tres semanas desde la extraordinaria noticia de que unos neutrinos que viajaron entre Francia e Italia lo hacían más rápido que la velocidad de la luz. El experimento, conocido como OPERA, descubrió que las partículas, producidas en el CERN, cerca de Ginebra, llegaron al Laboratorio Nacional Gran Sasso, en Italia, unos 60 nanosegundos antes de lo que permite la velocidad de la luz.

El resultado generó onda de excitación en la comunidad física. Desde entonces, más de 80 artículos han aparecido en arXiv tratando de desacreditar o explicar el efecto. Es justo decir, sin embargo, que el sentimiento general es que el equipo OPERA debía pasado algo por alto.

Ahora, Ronald van Elburg de la Universidad de Groningen en los Países Bajos presenta un argumento convincente de que ha encontrado el error.

En primer lugar, vamos a revisar el experimento, que es un concepto simple: una medida de distancia y tiempo.

La distancia es sencilla. La localización de la producción de neutrinos en el CERN es bastante fácil de medir con GPS. La posición del Laboratorio Nacional Gran Sasso es más difícil de identificar ya que se encuentra bajo una montaña de kilómetros de altura. Sin embargo, el equipo de Opera dice que ha establecido la distancia a 730 km, con un margen de  20 cm o menos.

El tiempo de vuelo de los neutrinos es más difícil de medir. El equipo de Opera dice que puede medir con precisión el instante en que los neutrinos son creados y el instante en que se detectan; utilizando relojes en ambos extremos.

Pero la parte difícil es mantener el reloj en los dos extremos exactamente sincronizado. El equipo hace uso de los satélites GPS, cada uno emitiendo una señal temporal de alta precisión desde una órbita a 20.000 kms. Esto introduce una serie de complicaciones adicionales que el equipo tiene que tener en cuenta, tales como el tiempo de viaje de las señales GPS hasta el suelo.

Pero van Elburg dice que hay algo que el equipo de Opera parece haber pasado por alto: el movimiento relativista de los relojes GPS.

Es fácil pensar que el movimiento de los satélites es irrelevante. Después de todo, las ondas de radio que transportan la señal de tiempo debe viajar a la velocidad de la luz, independientemente de la velocidad de los satélites.

Pero hay una sutileza adicional. Aunque la velocidad de la luz no depende del marco de referencia, el tiempo de vuelo, sí. En este caso, hay dos marcos de referencia: el experimento en el suelo y los relojes en órbita. Si estos se mueven uno respecto al otro, entonces esto es un factor a tener en cuenta.

Entonces, ¿cuáles el movimiento de los satélites con respecto al experimento OPERA? Estas sondas orbitan de oeste a este en un plano inclinado 55 grados respecto del ecuador. De manera significativa, está más o menos en línea con la trayectoria de vuelo de los neutrinos. Su movimiento relativo es entonces fácil de calcular.

Por lo tanto desde el punto de vista de un reloj de a bordo de un satélite GPS, las posiciones de la fuente y el detector de neutrinos están cambiando. “Desde el punto de vista del reloj, el detector se mueve hacia la fuente y por lo tanto la distancia recorrida por las partículas como se observa en el reloj es más corta”, dice van Elburg.

Esto quiere decir que es más corta que la distancia medida en el marco de referencia sobre el terreno.

El equipo de Opera pasó por alto este detalle, ya que actuó como si los relojes hubieran estado en el suelo y no en órbita.

¿Cómo de grande es este efecto? Van Elburg calcula que se debe hacer llegar los neutrinos 32 nanosegundos antes. Pero ya que el mismo error se produce en cada extremo del experimento, se trata del doble. Por lo que la corrección total es de 64 nanosegundos, casi exactamente lo que el equipo OPERA observó.

Eso es impresionante, pero no quiere decir que el problema esté resuelto. La revisión por partes es esencial del proceso científico y este argumento debe someterse al escrutinio de la comunidad en general y al equipo de Opera, en particular.

Si finalmente este caso es descartado, este episodio estará cargado de ironía. Lejos de romper la teoría de Einstein, una medición de algo más rápido que la luz  no sería sino una confirmación de lo contrario.

Artículo original en arXiv: Times Of Flight Between A Source And A Detector Observed From A GPS Satellite

 

Enlace original: Faster-tha-light neutrino puzzle claimed solved by Special Relativity

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