Primera refutación de la existencia de neutrinos más rápidos que la luz

Hace un par de semanas hablé, en la bitácora, de los resultados del experimento OPERA, que daban lugar, al parecer, a neutrinos capaces de viajar a una velocidad mayor que la de la luz. También hablé del escepticismo de la comunidad científica ante tales resultados.

Pues bien, ya ha salido una refutación de los resultados, de la mano de dos físicos teóricos: Andrew G. Cohen y Sheldon L. Glashow. Este último, Glashow, es nada menos que uno de los padres de la teoría electrodébil, que desarrolló junto a Steven Weinberg y a Abdus Salam, y que les valió el Premio Nobel de Física de 1979. O sea, uno de los mejores físicos contemporáneos.

Lo bueno de este experimento es que está demostrando cómo es la ciencia cuando actúa como debe. Unos investigadores afirman haber hallado neutrinos que superan la velocidad de la luz, y otros refutan el hecho dando argumentos físicos que deberían obligar, al menos, a revisar la interpretación. Se establece así un debate de ideas que dará lugar a una interpretación coherente.

Existe una pequeña joya en Internet, la web arxiv.org. En esta web, los investigadores suben sus trabajos antes de que sean sometidos a la revisión entre iguales que permitirán que sean publicados en revistas científicas especializadas. El argumento de refutación de Cohen y Glashow está descrito (en inglés) en: Artículo de Cohen y Glashow y es del 29 de septiembre. Estamos hablado de ciencia recién horneada. El argumento tiene la maravilla de ser relativamente sencillo, y voy a explicarlo lo mejor que pueda en esta entrada.

Resumo el razonamiento. En el experimento OPERA se han medido neutrinos de alta energía y de baja energía. Un neutrino que se propaga a una velocidad superior a la de la luz perderá grandes cantidades de energía porque, a tales velocidades, procesos de física de partículas que no son posibles, pasan a serlo. En nuestro caso, se producirá un frenado a costa de la creación de pares electrón-positrón. Calculando la tasa de pérdida de energía que tendría lugar en un trayecto de 730 Km para partículas superlumínicas, y tomando las velocidades iniciales que se desprenden de los resultados del experimento, se llega a la conclusión de que la probabilidad de que se mida una partícula superlumínica en destino con una energía mayor a unos 12,5 GeV es nula (GeV=Gigaelectronvoltio, es una unidad de energía usada en física de partículas). Pues bien, el experimento OPERA registra neutrinos con energías mayores de 12,5 GeV, de donde se deduce que los neutrinos, realmente, no viajaban más rápido que la luz, ya que el chorro de neutrinos lanzado debe contener partículas que van a velocidades muy parecidas o iguales. Así de simple.

En realidad, desde hace ya bastantes años, la velocidad de los neutrinos que se mide por medio de otros experimentos resulta ser superior a la de la luz. Cohen y Glashow en su artículo trabajan con el parámetro delta, que vale v^2-1, donde v es la velocidad medida de los neutrinos (que se eleva al cuadrado, eso es ^2) suponiendo que la velocidad de la luz vale 1 (es un cambio de escala típico de la física de altas energías y la relatividad; toda velocidad queda expresada en nuevas unidades de manera que su valor está entre 0 y 1). Mientras mayor sea el parámetro delta, más superlumínica será la velocidad del neutrino.

Los valores del parámetro delta de OPERA son similares a otros que aportaron estudios anteriores (del 2007) por medio del experimento MINOS para neutrinos de menor energía (unos 3 GeV). Los neutrinos son una partículas esquivas, muy difíciles de medir y muchos de estos experimentos van orientados a medir sus masas. Hay quienes piensan que los neutrinos no tienen masa, otros que dicen que sí la tienen, pero muy pequeña. La experimentación sólo te da cotas superiores a su masa; esto es, te dice, la masa del neutrino es inferior a tal valor. Otros valores para delta, obtenidos para neutrinos de menos energía provenientes de la supernova SN1987a, son mucho menores de los que afirman haber medido los responsables de OPERA. La primera deducción de Cohen y Glashow es que el valor inusualmente alto de delta (ellos lo llaman "la anomalía") depende de la energía, y es mayor mientras mayor energía tienen los neutrinos.

La refutación de Cohen y Glashow funciona por reducción al absurdo. Por ello, supongamos que hay neutrinos muónicos, con energías del orden de decenas de GeV que viajan a velocidades mayores que las de la luz. Cuando se produce propagación de partículas superlumínicas, ciertos procesos que, en otros casos, estarían prohibidos, se pueden producir, incluso en el vacío. Los autores señalan tres procesos diferentes, aunque se quedan sólo con uno de ellos, el "bremsstrahllung" (frenado) por creación de un par electrón-positrón. De los otros dos, uno no afecta y el otro es de efectos mucho menores al que, finalmente, se considera.

El proceso elegido tiene que ver con la interacción electrodébil, bien conocida por los autores. A partir de ahí, se relaciona la energía mínima necesaria para que se produzca el fenómeno con el parámetro delta que proporcionan los experimentadores de OPERA. Usando la teoría cuántica de campos calculan dos parámetros: Gamma, la tasa de emisión de pares electrón-positrón para neutrinos de alta energía que se muevan por encima de la velocidad de la luz, y la tasa a la que el neutrino considerado pierde energía (con la simplificación del límite de altas energías, válido en este caso). Conociendo la tasa a la que el neutrino pierde energía, se calcula que tras recorrer los 730 Km del experimento OPERA, la energía con la que llegan esos electrones con velocidades mayores que la de la luz al detector será, como mucho, de 12,5 GeV. Ahora bien, lo importante del argumento es que gracias a la expresión de Gamma, sabemos que cualquier neutrino que viaje a velocidades superlumínicas, con cualquier energía inicial mucho mayor a esos 12,5 GeV, tiene una probabilidad casi nula de llegar al detector en Gran Sasso sin haber perdido casi toda su energía.

Como se han medido cantidades apreciables de neutrinos con energías superiores a los 12,5 GeV, no es posible concluir que la velocidad de los neutrinos es mayor a la de la luz, ya que de serlo, perderían su energía merced a procesos que sólo ocurren si la partícula va más rápido que la luz. Que lleguen con más energía de la cuenta implica que no se movían más rápido que la luz, por lo que no pierden energía mediante el proceso de creación de pares electrón-positrón considerado.

Pues bien. Tampoco esto se puede considerar una refutación definitiva. Puede que algún otro teórico pueda aportar argumentos que refuten esta demostración de Cohen y Glashow. Pero no lo veo muy probable, porque esta refutación tiene una pinta muy sólida.

Hay que conocer muy bien la teoría cuántica de campos para ver los datos de un experimento de estas características y decirse a uno mismo: "¡Pero si llegan electrones de altísima energía al detector! Si viajan más rápido que la luz eso no puede ser. Voy a hacer cálculos a ver si tengo razón". Por eso, la precariedad investigadora cada vez más frecuente que sufren los investigadores jóvenes va a hacer un daño enorme a la ciencia. La ciencia no es una actividad en la que una persona pueda hacer cosas grandes si pasa 3 años en un laboratorio de Italia, trabajando en un campo, otros 4 en uno de Holanda trabajando en otro parecido, 2 más en EE.UU. trabajando en otra cosa... Y siempre sabiendo que si no consigue la siguiente beca se queda en la calle, cosa que pasa más veces de las aconsejables. Eso puede estar bien para la empresa privada (perdón, para los empresarios privados), pero la ciencia funciona de otra manera.

Pero eso para otra entrada.