El experimento de neutrinos OPERA en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso (LNGS), Italia, es famoso por su metedura de pata del año pasado Sin embargo, su sistema de medida del tiempo de vuelo de los neutrinos y antineutrinos es el más preciso del mundo. En junio se publicaron sus resultados preliminares, ahora se publican de forma oficial.
Los neutrinos muónicos generados en CNGS llegan a OPERA en LNGS con un retraso respecto a la velocidad de la luz en el vacío de δt ≡ TOFc−TOFν = (0,6 ± 0,4 (stat.) ± 3,0 (syst.)) ns (nanosegundos) y los antineutrinos con δt ≡ TOFc−TOFν = (1,8 ± 1,4 (stat.) ± 3,2 (syst.)) ns, resultados que indican que la velocidad v de los neutrinos muónicos cumple −1,8 × 10−6 < (v−c)/c < 2,3 × 10−6, al 90% C.L., y para los antineutrinos muónicos −1,6 × 10−6 < (v−c)/c < 3,0 × 10−6, también al 90% C.L.; estos son los mejores límites experimentales publicados hasta el momento para neutrinos y antineutrinos muónicos. El lector debe recordar que la medida basada en la supernova SN 1987A fue para la velocidad de antineutrinos electrónicos, |v−c|/c < 2 × 10−9. La medida de OPERA es compatible con las medidas obtenidas por los otros tres experimentos de LNGS que han utilizado el mismo sistema de medida de tiempos (salvo dentro de LNGS), ICARUS, Borexino y LVD. El nuevo artículo técnico es The OPERA Collaboration, “Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam using the 2012 dedicated data,” arXiv:1212.1276, 6 Dec 2012.
Os recuerdo a los despistados como funciona el experimento CNGS-LNGS. Los protones que se inyectan en el túnel del LHC (CERN, Ginebra) han sido acelerados hasta 450 GeV en el acelerador SPS. Mientras el LHC está en modo colisiones, se puede utilizar SPS para producir un chorro de protones a 450 GeV que se dirige hacia un blanco de grafito (carbono) donde se producen mesones (piones y kaones) de alta energía que se dirigen a un túnel de vacío de 1 km de longitud que apunta en la dirección de LNGS (Gran Sasso, Italia). Más del 99,9% de estos mesones se desintegran en neutrinos muónicos de alta energía, muchos de los cuales se dirigen a través del interior de la Tierra hasta los cuatro detectores de neutrinos de LNGS (OPERA, ICARUS, Borexino y LVD). Gracias a dos relojes atómicos sincronizados, uno en el CERN y otro en LNGS, se mide el tiempo de vuelo de los neutrinos muónicos que parten de CNGS y llegan a LNGS. La distancia entre el punto de origen y el de destino, unos 730 km, se mide mediante un sistema de GPS comercial con un error de decenas de metros. El sistema de medida de tiempos de vuelo tiene una precisión global de unas décimas de nanosegundo. Los neutrinos muónicos se mueven casi a la velocidad de la luz, debido a su masa tan ridícula, y para medir su velocidad se requiere un sistema de medida de tiempos con una precisión de femtosegundos, por lo que CNGS-LNGS solo puede obtener una cota grosera a la velocidad de los neutrinos. Aún así, medir dicha cota es todo un reto científico.
Entre el 10 y el 24 de mayo de 2012, CNGS envío chorros cortos de neutrinos muónicos en dirección a LNGS. Como muestra esta figura, los protones de SPS se enviaron al blanco de grafito en ciclos de 4 ráfagas separadas 300 ns, cada una de 16 paquetes de protones separados 100 ns; cada paquete contenía 0,1 billones de protones. La sensibilidad de los cuatro experimentos de LNGS solo les permite observar un solo neutrino (o lo más normal, ninguno) en cada paquete de 0,1 billones de protones (recuerda, aunque dicho paquete haya producido unos 0,1 billones de neutrinos). El total de protones enviado durante las dos semanas del experimento fue de unos 180 mil billones de protones. OPERA solo pudo registrar 104 neutrinos (67 en los detectores TT y 62 en los detectores RPC). Para asegurar un análisis adecuado de la medida, se han utilizado dos métodos de análisis por cada tipo de detector; los métodos 1 y 2 para los neutrinos detectados en TT (los errores sistemáticos en ambos métodos están correlacionados), y los métodos 3 y 4 para los detectados en RPC (por el contrario, los sistemáticos en ambos métodos no están correlacionados).
La figura que abre esta entrada muestra los resultados para los cuatro métodos
Para mejorar la medida de la velocidad de los neutrinos obtenida por los experimentos de LNGS la opción más obvia es incrementar la distancia (entre CNGS y LNGS hay unos 730 km). El experimento LAGUNA, aún en construcción, enviará neutrinos desde el CERN hasta Pyhäsalmi (Finlandia), a unos 2.300 km. Lo más lejos que podemos llegar desde el CERN es a Nueva Zelanda, la antípoda de Ginebra, situada a unos 12.700 km, el problema es que determinar la distancia entre ambos puntos con una precisión de metros es muy difícil (aunque quizás la red de GPS del proyecto europeo Galileo pueda lograrlo). Ya que estamos elucubrando ideas, también se podría instalar un detector de neutrinos en la Luna y aprovechar los 384.000 km que nos separan de ella (la imagen muestra la Tierra y la Luna vistas desde la Mars Express en Marte). Obviamente, el alto costo económico hace inviable esta última opción.
