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Rompecabezas de neutrinos más rápido que la luz afirmado resuelto por relatividad especial
Han pasado tres semanas desde la extraordinaria noticia de que los neutrinos que viajaban entre Francia e Italia se habían registrado moviéndose más rápido que la luz. El experimento, conocido como OPERA, encontró que las partículas producidas en el CERN cerca de Ginebra llegaron al Laboratorio Gran Sasso en Italia unos 60 nanosegundos antes de lo que permite la velocidad de la luz.
El resultado ha provocado una oleada de entusiasmo en la comunidad de físicos. Desde entonces, han aparecido más de 80 artículos sobre arXiv que intentan desacreditar o explicar el efecto. Sin embargo, es justo decir que la sensación general es que el equipo de OPERA debe haber pasado por alto algo.
Hoy, Ronald van Elburg de la Universidad de Groningen en los Países Bajos presenta un argumento convincente de que ha encontrado el error.
Primero, repasemos el experimento, que es simple en concepto: una medida de distancia y tiempo.
La distancia es sencilla. La ubicación de la producción de neutrinos en el CERN es bastante fácil de medir mediante GPS. La posición del Laboratorio Gran Sasso es más difícil de precisar porque se encuentra debajo de una montaña de un kilómetro de altura. Sin embargo, el equipo de OPERA dice que ha clavado la distancia de 730 km a 20 cm aproximadamente.
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 se crean los neutrinos y el instante en que se detectan utilizando relojes en cada extremo.
Pero la parte complicada es mantener los relojes en cada extremo exactamente sincronizados. El equipo hace esto utilizando satélites GPS, cada uno de los cuales transmite una señal horaria de alta precisión desde una órbita a unos 20.000 km de altura. Eso introduce una serie de complicaciones adicionales que el equipo debe tener en cuenta, como el tiempo de viaje de las señales GPS al suelo.
Pero van Elburg dice que hay un efecto 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 horaria deben 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 tierra y los relojes en órbita. Si estos se mueven entre sí, entonces esto debe tenerse en cuenta.
Entonces, ¿cuál es el movimiento de los satélites con respecto al experimento OPERA? Estas sondas orbitan de oeste a este en un plano inclinado a 55 grados con respecto al ecuador. Significativamente, eso está más o menos en línea con la trayectoria de vuelo de los neutrinos. Entonces, su movimiento relativo es fácil de calcular.
Entonces, desde el punto de vista de un reloj a bordo de un satélite GPS, las posiciones de la fuente de neutrinos y el detector están cambiando. Desde la perspectiva del reloj, el detector se mueve hacia la fuente y, en consecuencia, la distancia recorrida por las partículas observada desde el reloj es más corta, dice van Elburg.
Con esto quiere decir más corto que la distancia medida en el marco de referencia en el suelo.
El equipo de OPERA pasa por alto esto porque piensa que los relojes están en tierra, no en órbita.
¿Qué tan grande es este efecto? Van Elburg calcula que debería hacer que los neutrinos lleguen 32 nanosegundos antes. Pero esto debe duplicarse porque ocurre el mismo error en cada extremo del experimento. Entonces, la corrección total es de 64 nanosegundos, casi exactamente lo que observa el equipo de OPERA.
Eso es impresionante, pero no quiere decir que el problema esté resuelto y desempolvado. La revisión por pares es una parte esencial del proceso científico y este argumento debe mantenerse bajo el escrutinio de la comunidad en general y del equipo de OPERA en particular.
Si se sostiene, este episodio estará cargado de ironía. Lejos de romper la teoría de Einstein de lo relativo, la medición más rápida que la luz resultará ser otra confirmación de la misma.
Ref: arxiv.org/abs/1110.2685 : Tiempos de vuelo entre una fuente y un detector observados desde un satélite GPS.