Anomalia de neutrins superlumínicos

Fig. 1 Faster than light neutrins. What OPERA saw. Leftmost is the proton beam from the CERN SPS accelerator. It passes the beam current transformer (BCT), hits the target, creating first, pions and then, somewhere in the decay tunnel, neutrins. The ret lines llaure the CERN Neutrins to Gran Sasso (CNGS) beam to the LNGS lab where the OPERA detector is. The proton beam is timed at the BCT. The left waveform is the measured distribution of protons, and the right that of the detected OPERA neutrins. The shift is the neutrino travel clave. Distance traveled is roughly 731 km. At the top llaure the GPS satellites providing a common clock to both sites, making clave comparison possible. Only the PolaRx GPS receiver is above-ground, and fiber cables bring the clave underground.

Fig. 1 Lo que OPERA va vore. A l'esquerra es troba el fes de protones de l'accelerador de el CERN SPS. Travessa el transformador d'intensitat de fes (BCT) i alcança l'objectiu, creant primer piones i després, en algun punt del túnel de descomposició, neutrins. Les llínees roges són el CERN Neutrins a Gran Sasso (CNGS) i el fes de llum al laboratori de LNGS a on es troba el detector OPERA. El raig de protones està sincronisat en el BCT. La forma d'ona esquerra és la distribució medida de protones, i la dreta la dels neutrins OPERA detectats. La tanda és el temps de viage del neutrino. La distància recorreguda és d'aproximadament 731 km. En la part superior es troben els satèlits GPS que proporcionen un rellonge comú a abdós llocs, fent possible la comparació de temps. Només el receptor GPS PolaRx està en la superfície, i els cables de fibra duen el temps baix terra.

En 2011, l'experiment OPERA va observar per error que els neutrinos semblaven viajar més ràpit que la llum. Inclús ans que es descobrira l'error, el resultat va ser considerat anómal perque es creu que velocitats superiors a la de la llum en el buit violen la relativitat especial, pedra angular de la comprensió moderna de la física durant més d'un sigle.

Els científics de OPERA varen anunciar els resultats de l'experiment en setembre de 2011 en l'intenció de promoure més investigació i debat. Més vesprada, l'equip va informar de dos errors en la configuració dels seus equips que havien causat errors molt per fòra del seu interval de confiança original: un cable de fibra òptica conectat incorrectament, lo que va provocar que les medicions foren aparentment més ràpides que la llum, i un oscilador de rellonge massa ràpit. Els errors varen ser confirmats primer per OPERA despuix d'un informe de ScienceInsider; l'explicació d'estes dos fonts d'error va eliminar els resultats més ràpits que la llum.

En març de 2012, l'experiment ICARUS coubicado va informar de velocitats de neutrins compatibles en la velocitat de la llum en el mateix fes d'impulsos curts que OPERA havia medit en novembre de 2011. ICARUS va utilisar un sistema de cronometraje diferent de OPERA i va medir sèt neutrins distints. Ademés, els experiments Gran Sasso en BOREXINO, ICARUS, LVD i OPERA varen medir en maig la velocitat dels neutrins en un fes d'impulsos curts, i varen obtindre concordancia en la velocitat de la llum.

El 8 de juny de 2012, el director d'investigació de el CERN, Sergio Bertolucci, va declarar en nom dels quatre equips del Gran Sasso, entre ells OPERA, que la velocitat dels neutrins és consistent en la de la llum. El comunicat de prensa, elaborat a partir de la 25ª Conferència Internacional de Física de Neutrins i Astrofísica en Kyoto, afirma que els resultats originals de la OPERA varen ser incorrectes, per fallos en l'instrumentació.

El 12 de juliol de 2012 OPERA va actualisar el seu artícul incloent les noves fonts d'errors en els seus càlculs. Varen trobar que la velocitat dels neutrins coincidia en la de la llum.

S'espera que les velocitats dels neutrins siguen compatibles en la de la llum, donada la precisió llimitada dels experiments fins a la data. Els neutrins tenen una massa chicoteta pero no nula, i per lo tant la relativitat especial prediu que deuen propagar-se a velocitats inferiors a la de la llum. No obstant, els processos coneguts de producció de neutrins impartixen energies molt superiors a l'escala de massa de neutrins, per lo que casi tots els neutrins són ultrarrelativistas, propagant-se a velocitats molt pròximes a la de la llum.

Detecció

L'experiment va produir neutrins muónicos en l'antic accelerador SPS de el CERN, en la frontera franc-suïssa, i els va detectar en el laboratori LNGS de Gran Sasso, Itàlia. Els investigadors de OPERA varen utilisar el GPS de visió directa comuna, derivat de el GPS estàndart, per a medir els temps i les coordenades del lloc en el que es varen produir i varen detectar els neutrins. Segons lo calculat, el temps promig de vol dels neutrins va resultar ser inferior a lo que la llum necessitaria per a recórrer la mateixa distància en el buit. En un lapsus de dos semanes fins al 6 de novembre, l'equip de OPERA va repetir la mida produint els neutrins d'una forma distinta, lo que va ajudar a medir el temps de vol de cada neutrino per separat. Açò va eliminar alguns possibles errors relacionats en la coincidència dels neutrins detectats en el seu temps de producció. La colaboració OPERA va declarar en un comunicat de prensa inicial que era necessari realisar un seguiment més exhaustiu i proves independents per a confirmar o descartar definitivament els resultats.[7]

Primers resultats

En un anàlisis de les seues senyes en març de 2011, els científics de la colaboració OPERA varen presentar proves de que els neutrins que varen produir en el CERN de Ginebra i que es varen registrar en el detector OPERA de Gran Sasso (Itàlia) havien viajat més ràpit que la llum. Es va calcular que els neutrins varen aplegar aproximadament 60,7 nanosegundos (60,7 mil millonèsimes de segon) abans de lo que hauria tardat la llum si hagueren recorregut la mateixa distància en el buit. Despuix de sis mesos de comprovacions creuades, el 23 de setembre de 2011 varen anunciar que s'havien observat neutrins viajant a una velocitat superior a la de la llum. Es varen obtindre resultats similars utilisant neutrins de major energia (28 GeV), produïts per a comprovar si la velocitat dels neutrins depenia de la seua energia. Les partícules es varen medir aplegant al detector més ràpit que la llum en aproximadament una part per cada 40.000, en una provabilitat de 0,2 per milló de que el resultat fora un fals positiu, assumint que l'error es va deure enterament a efectes aleatoris (significancia de sis sigma). Esta mida incloïa estimacions tant dels errors en la medició com dels errors del tractament estadístic utilisat. No obstant, es tractava d'un test de precisió, no d'exactitut, que podia vore's influenciat per elements tals com a càlculs incorrectes o llectures errònees dels instruments. En els experiments de física de partícules que involucren senyes de colisió, l'estàndart per a un anunci de descobriment és un llímit d'error de cinc sigma, inferior al llímit de sis sigma observat.

L'artícul preimpreso de l'investigació afirmava que "la desviació[observada] de la velocitat del neutrino de c[velocitat de la llum en el buit] seria un resultat sorprenent que apuntaria a una nova física en l'àrea dels neutrins" i es va referir a la "arribada prematura dels neutrins muónicos CNGS" com una "anomalia". El portaveu de OPERA Antonio Ereditato va explicar que l'equip de OPERA "no ha trobat cap efecte instrumental que puga explicar el resultat de la medició". James Gillies, portaveu de el CERN, va dir el 22 de setembre que els científics estaven "invitant a la comunitat mundial de física a analisar lo que[havien] fet i escudriñarlo en gran detall, i idealment a que investigadors d'atres parts del món repetiren les mides".

Repetició interna

En novembre, OPERA va publicar resultats refinats en els que varen observar que les seues possibilitats de fallo eren encara menors, lo que els va permetre acotar més els seus llímits d'error. Els neutrins varen aplegar aproximadament 57,8 ns abans que si hagueren viajat a la velocitat de la llum, donant una diferència de velocitat relativa d'aproximadament una part per 42,000 front a la de la llum. El nou nivell de significancia estadística va aumentar fins a 6,2 sigma. La colaboració va presentar els seus resultats per a la seua publicació revisada per parells a la revista Journal of High Energy Physics.

En el mateix artícul, la colaboració de OPERA també va publicar els resultats d'un experiment repetit que es va portar a terme del 21 d'octubre de 2011 al 7 de novembre de 2011. Varen detectar vint neutrins, lo que indica una diferència 62,1 ns a favor dels neutrins, d'acort en el resultat de l'anàlisis principal.

Errors de mida

En febrer de 2012, la colaboració OPERA va anunciar dos possibles fonts d'error que podrien haver influït significativament en els resultats. Un enllaç des d'un receptor GPS al rellonge principal de OPERA estava desconectat, lo que aumentava el retart a través de la fibra. L'efecte del fallo va ser disminuir el temps de vol reportat dels neutrins en 73 ns, fent-los semblar més ràpits que la llum.
Un generador de rellonge en una targeta electrònica funcionava 10 MHz més ràpit que la seua freqüència prevista, lo que allargava el temps de vol reportat dels neutrins, reduint alguna cosa l'aparent efecte superlumínico. OPERA va declarar que el component havia estat funcionant al marge de les seues especificacions.

En març de 2012 es va celebrar un seminari LNGS, confirmant que el cable de fibra estava parcialment desconectat durant la pren de senyes. Els investigadors de LVD varen comparar les senyes de temps per a muones còsmics d'alta energia que varen alcançar tant OPERA com el propenc detector LVD entre 2007-2008,2008-2011 i 2011-2012. La diferència de temps obtinguts durant periodo 2008-2011 va coincidir en els OPERA. Els investigadors també varen trobar fotografies que demostren que el cable va estar mal conectat el 13 d'octubre de 2011.

En corregir eixes dos noves fonts d'error, els resultats per a la velocitat dels neutrins semblen ser consistents en la velocitat de la llum.

Resultats finals

El 12 de juliol de 2012 la colaboració OPERA va publicar els resultats finals de les seues medicions entre 2009-2011. La diferència entre el temps d'arribada medit i previst dels neutrins (en comparació a la velocitat de la llum) va ser d'aproximadament 6,5 ± 15 ns. Açò és consistent en l'absència de diferències estadísticament significatives, per lo que la velocitat dels neutrins està d'acort en la velocitat de la llum dins del marge d'error. Ademés, el reanálisis de la repetició del fes agrupat de 2011 va tirar resultats similars.

Reproduccions independents

En març de 2012, l'experiment ICARUS, situat en la mateixa sèu, refutó els resultats de OPERA medint la velocitat dels neutrins per a que anara la de la llum. ICARUS va medir la velocitat de sèt neutrins en el mateix fes d'impulsos curts que OPERA havia verificat en novembre de 2011, i els va trobar, en promig, viajant a la velocitat de la llum. Els resultats es varen obtindre a partir d'un ensaig de medicions de velocitat de neutrins en maig.

En maig de 2012, el CERN va iniciar una nova repetició de fes agrupat. Posteriorment, en juny de 2012, el CERN va anunciar que els quatre experiments Gran Sasso OPERA, ICARUS, LVD i BOREXINO varen medir velocitats de neutrino consistents en la velocitat de la llum, indicant que el resultat inicial de la OPERA es va deure a errors en l'instrumentació.

Aixina mateix, Fermilab va declarar que els detectors per al proyecte MINOS s'estaven actualisant. Els científics del Fermilab varen analisar minuciosament i varen acotar els errors en el seu sistema de cronometraje. El 8 de juny de 2012 MINOS va anunciar que d'acort als resultats preliminars, la velocitat dels neutrins és consistent en la velocitat de la llum.