La hipervelocitat dels neutrinos muònics: un exemple de partícules taquiòniques?

René Descartes compartia l’opinió de Johannes Kepler que la llum en el buit es propaga a una velocitat infinita. Fet i fet, Descartes considerava que l’edifici de la ciència i de la filosofia s’ensorrarien si resultava que la velocitat de la llum en el buit era finita. Kepler havia assenyalat que l’única raó per la qual la velocitat de la llum pogués ésser finita, seria la interferència de material i que, al capdavall, l’espai interplanetari era buit a aquests efectes. Descartes era conscient que una velocitat de la llum finita suposaria que els objectes que veiem a distància (el Sol i, encara més, els estels) no són tal com són sinó tal com eren. Les aportacions de Rømer i Hyugens, el 1675, van mostrar que la velocitat de la llum en el buit era finita, i la van avaluar en 1 unitat astronòmica/22 minuts. En el segle XVIII i XIX es determinaria un valor més precís, que permeté una redefinició de les unitats de distància respecte de les unitats de temps, de forma que, per definició del metre i del segon, la velocitat de la llum és exactament de 299.793.458 m•s-1. Quan, a final del segle XIX, la teoria electromagnètica de la llum de James Clerk Maxwell era complementada amb el descrèdit de la idea d’un èter luminífer (un mitjà de propagació material de la llum en el buit interplanetari), les prediccions de Descartes es feren realitat. Hendrik Lorentz i Albert Einstein capiren la rellevància de la situació, i el segon d’ells produí dues teories: la teoria de la relativitat especial i la teoria de la relativitat general. En aquest nou marc teòric, el de la física relativística (o física calenta, en contraposició amb l’anterior, dita física freda), la velocitat de la llum en el buit és una constant per a qualsevol observador, sigui quin sigui la velocitat o l’acceleració del seu marc de referència. Alhora, les transformacions de Lorentz imposen un límit a la velocitat de qualsevol objecte, la pròpia velocitat de la llum en el buit. Certament, posteriorment, la física quàntica ha transformat la forma de veure l’univers a petita escala, però el límit de velocitat es compleix per a qualsevol població suficientment gran de partícules. Diversos models, però, han parlat de partícules capaces de superar aquest límit de velocitat (els taquions). Si expressem la velocitat de la llum d’un taquió com a v, i la de la velocitat de la llum en el buit com a c, cap partícula no hauria de tindre un valor de (v-c)/c superior a 0. Doncs bé, en aquest article se’ns parla d’un corrent de neutrinos muònics que tenen una (v-c)/c de més de 0,0000248±0,0000028.

Els neutrinos muònics

El model estàndard ens parla de 18 tipus de partícules fonamentals. La classificació seria la següent:
– 1. Fermions (12 tipus diferents), que es caracteritzen per un spin de ½. Cada tipus de fermió té la corresponent antipartícula. Es divideixen en:
– 1. 1. Quarks (6 tipus diferents). Els quarks són els fermions que poden establir interaccions fortes. Els sis tipus de quarks són:
– 1. 1. 1. Quark “up” (de càrrega positiva +2/3, l’antiquark up té una càrrega negativa -2/3). És el quark menys massiu.
– 1. 1. 2. Quark “down” (de càrrega negativa -1/3, l’antiquark down té una càrrega positiva +1/3). Els quarks up i down són els integrants del protó (2 up + 1 down) i del neutró (1 up + 2 downs), i els antiquarks corresponents ho són de l’antiprotó i de l’antineutró.
– 1. 1. 3. Quark “charm” (de càrrega positiva +2/3, l’antiquark charm té una càrrega negativa), i gairebé centenars de vegades més massiu que els quarks up.
– 1. 1. 4. Quark “strange” (de càrrega -1/3, l’antiquark strange té la mateixa càrrega, però positiva).
– 1. 1. 5. Quark “top” (de càrrega +2/3, l’antiquark top la té negativa), que és el més massiu de tots els quarks (cent mil vegades superior als quarks up, és a dir d’uns 3 kD).
– 1. 1. 6. Quark “bottom” (de càrrega -1/3, l’antiquark bottom la té negativa).
– 1. 2. Leptons (6 tipus diferents). Són els fermions que no estableixen interaccions fortes. També n’hi ha 6:
– 1. 2. 1. L’electró (e), de càrrega negativa -1 (l’antipartícula, el positró, e+, té una càrrega de +1). És el més lleuger i el que trobem en l’escorça dels àtoms i responsables dels corrents elèctrics
– 1. 2. 2. El neutrino electrònic (o, senzillament, neutrino). És elèctricament neutre, com els altres neutrinos, i té una massa virtualment equivalent a zero.
– 1. 2. 3. El muó (μ), de càrrega negativa -1 (l’antimuó, μ+, la té positiva). Té una massa 200 vegades superior a la de l’electró.
– 1. 2. 4. El neutrino muònic (vμ) és elèctricament neutre, i no arriba a la meitat de la massa de l’electró.
– 1. 2. 5. La partícula tau, de càrrega negativa – 1 (l’antitau la té positiva).
– 1. 2. 6. El neutrino tau, de càrrega neutra, i amb una massa més de 30 vegades superior a la de l’electró.
– 2. Bosons. Són partícules fonamentals amb un spin enter. Són les partícules que medien les interaccions entre fermions. N’hi ha sis:
– 2. 1. Fotó, que media la interacció electromagnètica.
– 2. 2. Els bosons W (W+ i W), que medien la interacció feble.
– 2. 3. El bosó Z, que també media la interacció feble.
– 2. 4. El gluó, que media la interacció forta.
– 2. 5. El bosó de Higgs, d’existència no confirmada.
– 2. 6. El gravitó, que mediaria la interacció gravitatòria, però l’existència del qual no ha estat confirmada.

De tot aquest arbram, deduïm que són ben lluny de disposar d’un quadre definitiu de les partícules fonamentals. La relacions màssiques, particularment, de les diferents partícules, semblen capricioses.

LNGS). Aquest experiment volia detectar per primera vegada oscil•lacions neutríniques en el canal que condueix del neutrino muònic al neutrino tau, a través de la identificació dels leptons tau que es produeixen a través d’aquesta interacció neutrínica.

La velocitat dels neutrinos

Els neutrinos electrònics podrien no tindre massa. En aquest cas, la teoria de la relativitat exigiria que la velocitat dels neutrinos electrònics fos idèntica a la velocitat de la llum. Els neutrinos muònics, en canvi, tenen una massa definida, de manera que no haurien d’assolir mai la velocitat de la llum.

Un segon aspecte de l’experiment OPERA era la determinació de la velocitat dels neutrinos muònics. En aquest sentit, el detector OPERA situat en el Gran Sasso permet d’observar el corrent de neutrinos generat en el CERN, a Ginebra. Aquest corrent de neutrinos (CNGS) cobreix, entre Ginebra i el Gran Sasso, una distància de 730 km en qüestió de 2 milèssimes de segon. És cert que els neutrinos muònics tenen una massa (fins a 2 eV), però aquesta és inferior a la de l’electró de forma que, teòricament, si hom els imprimeix una energia com la que adquireixen en el CERN (de 17 GeV = 3 nJ), hom esperaria que assolissin valors propers a la velocitat de la llum fins a 1 part de 1019.

Experiments anteriors sobre neutrinos han limitat el valor possible de v-c/c, tant pel que fa a desviacions per damunt de la velocitat de la llum com per sota. Experiments basats en observacions naturals (amb nivells energètics de 10 MeV), com la de les emissions d’antineutrinos de la supernova SN1987A, parlaven de marges de diferència inferiors a 2•10-9. Experiments amb altes energies (de fins a 100 GeV), posaven el valor de marge en 5•10-5.

La velocitat dels neutrinos del corrent CNGS

A “Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam”, es tracten dades dels anys 2009-2011. Donada la precisió exigida, hi ha el repte de determinar quina distància en línia recta separa el CERN del LNGS. El valor de 730,53 km fou precisat fins a un interval d’error de 0,2 m (precisió de 3•10-7). La incertesa introduïda pels llocs de producció i detecció exactes dels neutrinos és superior a aquesta incertesa geodèsica.

El corrent CNGS es produït a partir de protons accelerats a 400 GeV/c en el sincrotó SPS. Els protons són ejectats i, en impactar en grafit, donen lloc a mesons carregats. Els mesons (pions i kaons) són partícules formades per dos quarks (el protó, per tres), i tenen una vida mitjana ben curta, de forma que decauen en neutrinos. El corrent resultat de neutrinos té una riquesa en neutrinos muònics del 97,9% (el percentatge restant són neutrinos i antineutrinos electrònics). Les oscil•lacions del corrent CNGS són detectades per l’OPERA i, d’acord amb elles, s’estima la velocitat del corrent neutrínic.

La detecció dels neutrinos es fa mitjançant la interacció del corrent neutrínic sobre protons accelerats. En les dades de l’experiment es tenen presents unes 16.111 deteccions, corresponents a 1020 protons. En aquest experimental és vital disposar d’un bon sistema de cronometria. La precisió que ofereix el sistema GPS, d’uns 10-7 segons era insuficient, i per això s’instal•là un sistema millorat, que augmenta la precisió fins a 2-3•10-9 segons.

Globalment, el valor de (v-c)/c per al flux de neutrinos fou de 2,48±0,28•10-5. Expressat en ppm seria de 24,8±2,8. El desplaçament, doncs, és significatiu, i es produeix en favor dels neutrinos. En un milió d’anys-llum de reconegut, els neutrinos s’haurien avançat 20-25 anys-llum, una xifra poc menyspreable. Teòricament, a més, el valor hauria de ser 0 o, en tot cas, lleugerament negatiu.

Els autors dividiren els experiments en diferents grups d’acord amb el nivell energètic de cada moment del corrent neutrínic. No s’observaren diferències en la velocitat, entre els d’alta energia (43 GeV) i els de baixa (14 GeV). És clar que la repetició de l’experiments en condicions més precises, podria trobar una diferència en aquest aspecte.

Certament que 2 parts entre 100.000 fa dels neutrinos muònics és una xifra ben modesta per a un taquió, tal com els imaginaven. També la velocitat de la llum calculada en el 1672 semblava indistinta d’infinita (fer en 1hora 1500 milions de quilòmetres era espectacular per a qui amb penes i treballs n’havia recorregut un grapat de quilòmetres en el cavall més ràpid). Però si es confirmen aquestes 2 parts entre 100.000, la rellevància teòrica seria inversament proporcional al seu valor relatiu.

Aquesta entrada ha esta publicada en 1. L'Univers. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Una comentari en l'entrada: La hipervelocitat dels neutrinos muònics: un exemple de partícules taquiòniques?

  1. Dídac diu:

    Segons llegim a les notícies (http://news.sciencemag.org/scienceinsider/2012/02/breaking-news-error-undoes-faster.html?ref=hp), sembla que la discrepància taquiònica és, en realitat, un artefacte. Una mala connexió entre un cable de fibra òptica que connecta amb el receptor GPS que ajudava a calcular el temps de trajecte dels neutrinos, explicaria el retard de 60 nanosegons entre Ginebra i l’Aquila. Així doncs, els neutrinos es movien a velocitats no pas superiors a la velocitat de la llum.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *