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POR QUÉ LOS NEUTRINOS NO PUEDEN VIAJAR MÁS RÁPIDO QUE LA LUZ

Actualizado: 24 de dic de 2019

Como todo el mundo sabe el experimento OPERA que analiza ciertas características de los neutrinos producidos en el LHC publicó hace 3 semanas la increíble noticia de que la velocidad medida de losneutrinos sobrepasa en unos 60 nanosegundos la velocidad de la luz. A partir de esta noticia, multitud de papers han sido publicados tratando de explicar este efecto o de encontrar algún error en el mismo.

En este artículo se describe un argumento basado en aspectos totalmente conocidos y demostrados dela física actual y que demuestra que es imposible que los neutrinos viajen más rápido que c sin que los electrones lo hagan también. Antes de explicar este efecto hay que tener en cuenta dos cosas:

1º) El modelo estándar de la física de partículas establece un claro vínculo entre el comportamiento de los 3 tipos de neutrinos (neutrino-electrón, neutrino-muón y neutrino-tau) y su asociado lepton cargado (electrón, muón y tau).

2º) El modelo estándar establece que los 3 tipos de neutrinos viajan a la misma velocidad para una energía dada. Esta información se ha obtenido en los experimentos destinados a medir la oscilaciónde los neutrinos.






Figura 1: Una partícula W decae algunas veces en un anti-electrón y un neutrino-electrón.


Los neutrinos interaccionan a través de la fuerza débil. Es sabido desde hace décadas que el campo de la partícula W y la propia W (una de las partículas que transmiten la fuerza débil) interacciona con los electrones y con los neutrinos (en particular con el neutrino electrónico). Podemos observar los efectosde esta interacción en muchas situaciones. La más obvia es la observación de la desintegración de la partícula W+ en antielectrones (positrones) y neutrinos electrónicos. Otro efecto algo más sutil es laperturbación en el campo del W (esta perturbación se conoce como "partículas virtuales") producida por electrones y neutrinos electrónicos junto con sus antipartículas (esto se produce en la desintegración de neutrones, muones, y muchos otros fenómenos). Todos estos procesos han sido estudiados en gran detalle y son predichos con gran exactitud. En estos fenómenos el acuerdo entre la teoría electrodébil y los experimentos es excepcional (ver figura 2) hasta el punto de que nadie puede discutir si las ecuaciones de la teoría predicen los resultados experimentales con suficiente exactitud.












Figura 2: Medidas del experimento DZero (arriba) y CDF (abajo) en experimentos de las propiedades del decaimiento de la partícula W. En ambos casos el acuerdo entre teoría (linea continua) y experimento(linea de puntos) es excelente.


Debido a que las partículas W interaccionan (y se desintegran) con electrones y neutrinos un electrón invierte parte de su tiempo produciendo una perturbación en el campo del W y en el campo del neutrinoelectrónico (ver figura 3). Estas perturbaciones a menudo se llaman partículas virtuales, sin embargo, estasno son partículas realmente (ver artículo Virtual Particles).








Figura 3: Un electrón, cuando viaja, puede llegar a ser una compleja combinación de perturbaciones de2 o más campos.Ocasionalmente es una mezcla de perturbaciones en el campo del electrón y el fotón. Más raramente ocurre el caso que nos ocupa: una perturbación del campo del W y del neutrino-electrón.


Esta interacción ocurre solo en ocasiones pero definitivamente ocurre, si no lo hiciera, varios procesos que observamos en la naturaleza serían alterados de varias formas que nosotros habríamos detectado. Se conocen muchos procesos que involucran estas interacciones: electrones y fotones interactuando, electrones perturbando el campo electromagnético... Estos fenómenos han sido estudiados durante décadas y se conocen con absoluta precisión los cálculos involucrados. Estamos hablando de un territorio excepcionalmente bien establecido dentro de la física de partículas. Ahora, utilizando estas ecuaciones podemos preguntarnos: Si neutrinos de energía comprendida entre 10 y 40 GeV (como los medidos por OPERA pudieran viajar 2 partes en 100.000 por encima de la velocidad de la luz (como OPERA sugiere) ¿Como afectaría a la velocidad del electrón el hecho de que el electrón invierta parte de su tiempo produciendo perturbaciones en los campos del W y de los neutrinos? Un cálculo aproximado nos muestra que debido a que este efecto es un fenómeno cuántico que involucra a la fuerza nuclear débil, el efecto en los electrones sería del orden de 1000 veces menor, por lo que un electrón con unas decenas de GeV de energía viajaría alrededor de 1 parte en 100 millones por encima de la velocidad de la luz. Sin embargo, experimentos sobre la radiación Cerenkov con electrones descartan que a esa energía un electrón pueda viajar por encima de c (a no ser que algún fenómeno desconocido evite la esperada radiación de Cerenkov) con una precisión de más de 5 partes en 1000 billones es decir 5 partes en 1.000.000.000.000.000 . Giudice, Sibiryakov y Strumia realizaron los correspondientes diagramas de Feynman y los correspondientes cálculos y efectivamente encontraron que si los neutrinos viajaran a velocidades superlumínicas los electrones también lo harían en una proporción que en ningún caso sería menor a una parte en mil millones (1 parte en 1000.000.000), sin embargo, como hemos visto esto contradice los datos experimentales que afirman que el electrón no puede superar c en más de 5 partes en 1000 billones..







Figura 4: Diagrama de Feynman correspondiente al proceso en el cual un electrón se convierte temporalmente en una combinación de perturbaciones en el campo del W y del neutrino-electrón.


Por tanto existe una contradicción entre las implicaciones de los resultados de OPERA y los datos experimentales. Por esto, si el experimento de OPERA es correcto, observaríamos que algunos desconocidos efectos eliminarían la radiación de Cerenkov y radiaciones similares (también sería necesario eliminar la radiación similar tipo Cerenkov de emisión de pares electrón-positrón procedentes de los hipotéticos neutrinos superlumínicos).

Por último, señalar que se conocen algunas modificaciones de la relatividad que producirían la anulación de la radiación de Cerenkov, sin embargo, estas modificaciones se encuentran fuertemente restringidas (al menos para electrones) por los datos experimentales y predicen unos efectos para la velocidad de los neutrinos mucho menores de los medidos por OPERA por lo que no explican por mucho los problemas que hemos presentado. Este argumento, aunque más sutil, es incluso más fuerte que el presentado por Cohen-Glashow basado en la emisión de una radiación similar a la Cerenkov y aunque no es una refutación definitiva de los datos de OPERA representa una clara evidencia de que los resultados presentados por el experimento OPERA probablemente incluyen algún tipo de error sistemático.


Fuentes: Another Speed Bump for Superluminal Neutrinos


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