alt=Fig. 1 Faster than light neutrinos. 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, neutrinos. The red lines are the CERN Neutrinos 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 neutrinos. The shift is the neutrino travel time. Distance traveled is roughly 731 km. At the top are the GPS satellites providing a common clock to both sites, making time comparison possible. Only the PolaRx GPS receiver is above-ground, and fiber cables bring the time underground.|derecha|miniaturadeimagen|618x618px|Fig. 1 Lo que OPERA vio. A la izquierda se encuentra el haz de protones del acelerador del CERN SPS. Atraviesa el transformador de intensidad de haz (BCT) y alcanza el objetivo, creando primero piones y luego, en algún punto del túnel de descomposición, neutrinos. Las líneas rojas son el CERN Neutrinos a Gran Sasso (CNGS) y el haz de luz al laboratorio de LNGS donde se encuentra el detector OPERA. El rayo de protones está sincronizado en el BCT. La forma de onda izquierda es la distribución medida de protones, y la derecha la de los neutrinos OPERA detectados. El turno es el tiempo de viaje del neutrino. La distancia recorrida es de aproximadamente 731 km. En la parte superior se encuentran los satélites GPS que proporcionan un reloj común a ambos sitios, haciendo posible la comparación de tiempos. Sólo el receptor GPS PolaRx está en la superficie, y los cables de fibra llevan el tiempo bajo tierra. En 2011, el experimento OPERA observó por error que los neutrinos parecían viajar más rápido que la luz. Incluso antes de que se descubriera el error, el resultado fue considerado anómalo porque se cree que velocidades superiores a la de la luz en el vacío violan la relatividad especial, piedra angular de la comprensión moderna de la física durante más de un siglo.
Los científicos de OPERA anunciaron los resultados del experimento en septiembre de 2011 con la intención de promover más investigación y debate. Más tarde, el equipo informó de dos errores en la configuración de sus equipos que habían causado errores muy por fuera de su intervalo de confianza original: un cable de fibra óptica conectado incorrectamente, lo que provocó que las mediciones fueran aparentemente más rápidas que la luz, y un oscilador de reloj demasiado rápido. Los errores fueron confirmados primero por OPERA después de un informe de ScienceInsider; la explicación de estas dos fuentes de error eliminó los resultados más rápidos que la luz.
En marzo de 2012, el experimento ICARUS coubicado informó de velocidades de neutrinos compatibles con la velocidad de la luz en el mismo haz de impulsos cortos que OPERA había medido en noviembre de 2011. ICARUS utilizó un sistema de cronometraje diferente de OPERA y midió siete neutrinos distintos. Además, los experimentos Gran Sasso con BOREXINO, ICARUS, LVD y OPERA midieron en mayo la velocidad de los neutrinos con un haz de impulsos cortos, y obtuvieron concordancia con la velocidad de la luz.
El 8 de junio de 2012, el director de investigación del CERN, Sergio Bertolucci, declaró en nombre de los cuatro equipos del Gran Sasso, entre ellos OPERA, que la velocidad de los neutrinos es consistente con la de la luz. El comunicado de prensa, elaborado a partir de la 25ª Conferencia Internacional de Física de Neutrinos y Astrofísica en Kioto, afirma que los resultados originales de la OPERA fueron incorrectos, debido a fallos en la instrumentación.
El 12 de julio de 2012 OPERA actualizó su artículo incluyendo las nuevas fuentes de errores en sus cálculos. Encontraron que la velocidad de los neutrinos coincidía con la de la luz.
Se espera que las velocidades de los neutrinos sean compatibles con la de la luz, dada la precisión limitada de los experimentos hasta la fecha. Los neutrinos tienen una masa pequeña pero no nula, y por lo tanto la relatividad especial predice que deben propagarse a velocidades inferiores a la de la luz. No obstante, los procesos conocidos de producción de neutrinos imparten energías muy superiores a la escala de masa de neutrinos, por lo que casi todos los neutrinos son ultrarrelativistas, propagándose a velocidades muy próximas a la de la luz.
Detección El experimento produjo neutrinos muónicos en el antiguo acelerador SPS del CERN, en la frontera franco-suiza, y los detectó en el laboratorio LNGS de Gran Sasso, Italia. Los investigadores de OPERA utilizaron el GPS de visión directa común, derivado del GPS estándar, para medir los tiempos y las coordenadas del lugar en el que se produjeron y detectaron los neutrinos. Según lo calculado, el tiempo promedio de vuelo de los neutrinos resultó ser inferior a lo que la luz necesitaría para recorrer la misma distancia en el vacío. En un lapso de dos semanas hasta el 6 de noviembre, el equipo de OPERA repitió la medida produciendo los neutrinos de una forma distinta, lo que ayudó a medir el tiempo de vuelo de cada neutrino por separado. Esto eliminó algunos posibles errores relacionados con la coincidencia de los neutrinos detectados con su tiempo de producción. La colaboración OPERA declaró en un comunicado de prensa inicial que era necesario realizar un seguimiento más exhaustivo y pruebas independientes para confirmar o descartar definitivamente los resultados.
Primeros resultados En un análisis de sus datos en marzo de 2011, los científicos de la colaboración OPERA presentaron pruebas de que los neutrinos que produjeron en el CERN de Ginebra y que se registraron en el detector OPERA de Gran Sasso (Italia) habían viajado más rápido que la luz. Se calculó que los neutrinos llegaron aproximadamente 60,7 nanosegundos (60,7 mil millonésimas de segundo) antes de lo que habría tardado la luz si hubieran recorrido la misma distancia en el vacío. Después de seis meses de comprobaciones cruzadas, el 23 de septiembre de 2011 anunciaron que se habían observado neutrinos viajando a una velocidad superior a la de la luz. Se obtuvieron resultados similares utilizando neutrinos de mayor energía (28 GeV), producidos para comprobar si la velocidad de los neutrinos dependía de su energía. Las partículas se midieron llegando al detector más rápido que la luz en aproximadamente una parte por cada 40.000, con una probabilidad de 0,2 por millón de que el resultado fuera un falso positivo, asumiendo que el error se debió enteramente a efectos aleatorios (significancia de seis sigma). Esta medida incluía estimaciones tanto de los errores en la medición como de los errores del tratamiento estadístico utilizado. Sin embargo, se trataba de un test de precisión, no de exactitud, que podía verse influenciado por elementos tales como cálculos incorrectos o lecturas erróneas de los instrumentos. En los experimentos de física de partículas que involucran datos de colisión, el estándar para un anuncio de descubrimiento es un límite de error de cinco sigma, inferior al límite de seis sigma observado.
El artículo preimpreso de la investigación afirmaba que "la desviación[observada] de la velocidad del neutrino de c[velocidad de la luz en el vacío] sería un resultado sorprendente que apuntaría a una nueva física en el área de los neutrinos" y se refirió a la "llegada prematura de los neutrinos muónicos CNGS" como una "anomalía". El portavoz de OPERA Antonio Ereditato explicó que el equipo de OPERA "no ha encontrado ningún efecto instrumental que pueda explicar el resultado de la medición". James Gillies, portavoz del CERN, dijo el 22 de septiembre que los científicos estaban "invitando a la comunidad mundial de física a analizar lo que[habían] hecho y escudriñarlo con gran detalle, e idealmente a que investigadores de otras partes del mundo repitiesen las medidas".
Repetición interna En noviembre, OPERA publicó resultados refinados en los que observaron que sus posibilidades de fallo eran aún menores, lo que les permitió acotar más sus límites de error. Los neutrinos llegaron aproximadamente 57,8 ns antes que si hubieran viajado a la velocidad de la luz, dando una diferencia de velocidad relativa de aproximadamente una parte por 42,000 frente a la de la luz. El nuevo nivel de significancia estadística aumentó hasta 6,2 sigma. La colaboración presentó sus resultados para su publicación revisada por pares a la revista Journal of High Energy Physics.
En el mismo artículo, la colaboración de OPERA también publicó los resultados de un experimento repetido que se llevó a cabo del 21 de octubre de 2011 al 7 de noviembre de 2011. Detectaron veinte neutrinos, lo que indica una diferencia 62,1 ns a favor de los neutrinos, de acuerdo con el resultado del análisis principal.
Errores de medida En febrero de 2012, la colaboración OPERA anunció dos posibles fuentes de error que podrían haber influido significativamente en los resultados. Un enlace desde un receptor GPS al reloj principal de OPERA estaba desconectado, lo que aumentaba el retraso a través de la fibra. El efecto del fallo fue disminuir el tiempo de vuelo reportado de los neutrinos en 73 ns, haciéndolos parecer más rápidos que la luz.Un generador de reloj en una tarjeta electrónica funcionaba 10 MHz más rápido que su frecuencia prevista, lo que alargaba el tiempo de vuelo reportado de los neutrinos, reduciendo algo el aparente efecto superlumínico. OPERA declaró que el componente había estado funcionando al margen de sus especificaciones.
En marzo de 2012 se celebró un seminario LNGS, confirmando que el cable de fibra estaba parcialmente desconectado durante la toma de datos. Los investigadores de LVD compararon los datos de tiempo para muones cósmicos de alta energía que alcanzaron tanto OPERA como el cercano detector LVD entre 2007-2008,2008-2011 y 2011-2012. La diferencia de tiempos obtenidos durante período 2008-2011 coincidió con los OPERA. Los investigadores también encontraron fotografías que demuestran que el cable estuvo mal conectado el 13 de octubre de 2011.
Al corregir esas dos nuevas fuentes de error, los resultados para la velocidad de los neutrinos parecen ser consistentes con la velocidad de la luz.
Resultados finales El 12 de julio de 2012 la colaboración OPERA publicó los resultados finales de sus mediciones entre 2009-2011. La diferencia entre el tiempo de llegada medido y previsto de los neutrinos (en comparación con la velocidad de la luz) fue de aproximadamente 6,5 ± 15 ns. Esto es consistente con la ausencia de diferencias estadísticamente significativas, por lo que la velocidad de los neutrinos está de acuerdo con la velocidad de la luz dentro del margen de error. Además, el reanálisis de la repetición del haz agrupado de 2011 arrojó resultados similares.
Reproducciones independientes En marzo de 2012, el experimento ICARUS, situado en la misma sede, refutó los resultados de OPERA midiendo la velocidad de los neutrinos para que fuese la de la luz. ICARUS midió la velocidad de siete neutrinos en el mismo haz de impulsos cortos que OPERA había verificado en noviembre de 2011, y los encontró, en promedio, viajando a la velocidad de la luz. Los resultados se obtuvieron a partir de un ensayo de mediciones de velocidad de neutrinos en mayo.
En mayo de 2012, el CERN inició una nueva repetición de haz agrupado. Posteriormente, en junio de 2012, el CERN anunció que los cuatro experimentos Gran Sasso OPERA, ICARUS, LVD y BOREXINO midieron velocidades de neutrino consistentes con la velocidad de la luz, indicando que el resultado inicial de la OPERA se debió a errores en la instrumentación.