19/10/2011 - Los neutrinos y la Relatividad

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Los recientes resultados del experimento OPERA, indicarían que los neutrinos pueden viajar a una velocidad superior a la de la luz en el vacío, han convulsionado el mundo de la física. Este hecho supone (de ser cierto) que la teoría de la relatividad especial de Einstein no es absolutamente verdadera y que, por tanto, alguno de los postulados en los que se basa no es correcto.

Pero antes de seguir no está de más advertir, como ya han hecho bastantes voces autorizadas que bien podría haber algún error experimental, de tipo sistemático, inadvertido y que, por consiguiente, estos resultados han de esperar a ser confirmados por otros experimentos (uno americano y otro japonés parecen ya estar en proyecto), antes de asumir sus revolucionarias implicaciones.

Los neutrinos son las partículas elementales más extrañas, al menos de las descubiertas experimentalmente y no sólo postuladas. Se presentan en tres tipos diferentes, que en la jerga científica se conocen como “sabores” (de flavour, en inglés): neutrino electrónico (o del electrón), neutrino muónico (o del muón) y neutrino tauónico (o del tauón).

El electrón (e-), el muón (µ-) y el tauón (τ-) – junto con sus correspondientes neutrinos– constituyen las tres familias leptónicas (partículas que no sufren la interacción fuerte); estas tres partículas tienen propiedades muy parecidas, salvo la masa: el muón es unas 200 veces más pesado que el electrón y el tauón unas 17 veces más pesado que el muón.

En el mundo “ordinario”, de objetos compuestos de átomos, sólo está presente la primera familia (electrón y neutrino electrónico), pero las tres son de gran importancia en la física de partículas elementales y desempeñaron un relevante papel en la evolución del universo primigenio.

Extrañas propiedades

La rareza de los neutrinos radica en sus propiedades. Tienen una masa pequeñísima; de hecho, hasta hace unos años se creía que no tenían masa, pero ahora se sabe que la tienen, aunque la del más pesado de ellos, el neutrino tauónico, es seguramente más de un millón de veces menor que la del electrón.

Por otro lado, los neutrinos tienen espín, pero no momento magnético, ya que no poseen carga eléctrica.

Además, oscilan entre ellos, es decir, un neutrino, digamos, electrónico, tiene una cierta probabilidad de convertirse en uno muónico a lo largo del tiempo.

Y lo que es muy importante, apenas interactúan con la materia (trillones de veces menos que la luz, por ejemplo).

Tales propiedades convierten a estas partículas en una verdadera rareza cercana al misterio. No obstante, los neutrinos desempeñan un importante papel en astrofísica y cosmología, sobre todo en la producción de energía en las estrellas y en los mecanismos de producción y emisión de elementos pesados (a partir del litio) que tiene lugar en la explosión de una supernova y que resultan básicos, por ejemplo, en la composición de muchos planetas, entre ellos la Tierra.

Aspectos generales del experimento

Los aspectos generales del experimento OPERA son muy conocidos por haber sido publicados en periódicos y revistas de divulgación, así como en numerosos sitios de Internet. Recordemos lo esencial.

Un haz de neutrinos muónicos bien colimado producido tras la colisión de protones de un acelerador del CERN de Ginebra con materia fueron enviados en línea recta, atravesando la tierra (lo que se puede hacer debido a que los neutrinos prácticamente no interactúan con la materia), hasta el detector OPERA, situado en el laboratorio subterráneo del Gran Sasso, en Italia.

La distancia recorrida fue de 730 km aproximadamente. Empleando sistemas de muy alta precisión para medir la distancia recorrida por los neutrinos y el tiempo de vuelo correspondiente, los investigadores de OPERA llegaron a la conclusión de que la velocidad de estos superó a la de la luz en un 0,00025%.

Aunque esta cantidad es pequeña, su importancia –de ser correcta- es enorme, desde un punto de vista estrictamente básico, como se verá a continuación.

Implicaciones y posibles explicaciones

¿Qué implicaría la validez de los resultados de OPERA? De entrada, la invalidez de al menos uno de los dos principios en los que se basa la teoría de la relatividad einsteniana: principio de causalidad y no existencia del éter, entendido en el sentido de un sistema inercial privilegiado (técnicamente, esto se conoce como invariancia bajo transformaciones de Lorentz o simplemente “invariancia Lorentz”).

El primero parece irrenunciable, no ya para la relatividad, sino para la física y la ciencia en general; el segundo principio es propio de la relatividad y una de sus consecuencias es la constancia de la velocidad de la luz en el vacío, es decir, que esta no depende del sistema (inercial) en que se mida y es la velocidad máxima alcanzable.

Si no queda más remedio que elegir, lo lógico es abandonar este último principio para salvar la causalidad. De todos modos, esto implicaría una verdadera revolución en física fundamental, de insospechadas consecuencias, aunque no causará ningún cambio, al menos por ahora, en las aplicaciones de la física, incluso en las más sofisticadas.

Ya han surgido teorías más o menos exóticas que intentan explicar la posible velocidad superlumínica de los neutrinos. De ellas, la más curiosa y con base teórica relativamente firme es la que involucra más de tres dimensiones del espacio.

En términos poco rigurosos pero ilustrativos, los neutrinos podrían haber viajado utilizando un “atajo” en alguna dimensión extra, por lo que podrían llegar al detector antes de lo que lo hubiera hecho la luz sin necesidad de superar la velocidad de esta en el espacio ordinario tridimensional, pues la luz sólo se mueve en este espacio.

La existencia de dimensiones extra del espacio es algo “natural” en la moderna teoría de cuerdas (supercuerdas) de las partículas elementales, pero en todos los modelos actuales de supercuerdas las únicas partículas que en principio podrían desplazarse en alguna de estas dimensiones son lo gravitones, hipotéticas partículas (aún por descubrir) que serían los transmisores cuánticos de la interacción gravitatoria, un papel análogo hasta cierto punto al desempeñado por los fotones en la interacción electromagnética.

Nadie había imaginado antes que los neutrinos pudieran viajar fuera del espacio ordinario, e incorporar esto a la teoría de cuerdas no parece una tarea fácil y, lo que es peor, libre de contradicciones internas o con resultados experimentales bien establecidos.

Esperemos la confirmación (o refutación) de los resultados de OPERA. Su confirmación sin duda comportaría una auténtica revolución en física comparable a la producida por la relatividad y la física cuántica a principios del siglo pasado.

Mientras tanto, como dicen los americanos, stay tuned (manténgase a la escucha).

Fuente: Tendencias Científicas

Imagen: Super-KAmiokande, observatorio de neutrinos en la ciudad de Hida, Japón

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