¿Cuál es la precisión más alta que se puede lograr hoy en día para medir las diferencias de tiempo?

Esta no es realmente una respuesta a la pregunta del título, sino una descripción de por qué la medición de la velocidad de los neutrinos de referencia corta propuesta es extremadamente difícil. Se relaciona con la pregunta en el sentido de que explica los límites de la precisión con la que$\delta t$se puede extraer en un experimento de neutrinos, sin siquiera tocar el tipo de trabajo de temporización de ultra alta precisión que les gusta hacer al NIST y a los organismos relacionados.

En muchos casos es posible obtener una precisión de sincronización muy alta, pero los neutrinos plantean algunos desafíos especiales.

• Incluso a las energías del haz del acelerador (múltiples GeV como en el haz OPERA), la sección transversal de las interacciones de los neutrinos es pequeña. Entonces, para obtener cualquier tipo de tasa, debe hacer dos cosas

  1. Haz el detector grande. Decenas de miles de tonos para algunos detectores distantes y algunas toneladas (o al menos cientos de kilogramos) para detectores cercanos. Un detector masivo tiene tamaños no triviales, por lo que debe corregir el tiempo en el que se desarrollan las señales, se detectan y se convierten en señales electrónicas con capacidad de bloqueo. Notará que en el caso del papel OPERA, estas correcciones fueron del orden de unas pocas a decenas de ns cada una. Cada una de estas correcciones lleva consigo un error sistemático.

  2. Los rayos tienen que ser muy intensos. Idealmente, generaría un solo grupo de partículas progenitoras (protones en el caso de OPERA) y las golpearía en el objetivo en una escala de tiempo menor que la anticipada.$\delta t$, y luego esperar un tiempo mucho mayor que$\delta t$antes de que llegara el siguiente grupo. Pero debido a los límites de la tecnología de los aceleradores y la sección transversal de los neutrinos, este es un juego perdido. En el caso de OPERA, vierten protones sobre el objetivo en pequeños grupos durante 10 microsegundos a la vez. No existe una forma única de identificar la hora de origen asociada con cada evento de neutrino en el detector lejano. Por lo tanto, el método estadístico que emplearon (este es uno de mis lugares favoritos para sospechar del procedimiento OPERA, aunque hicieron un verdadero intento de manejarlo) originalmente, ahora han utilizado un enfoque de grupo corto de estadísticas más bajas que elimina en gran medida esto como una posible fuente de error

• Los haces de neutrinos no están bien enfocados.

  Podría estar pensando que con un detector cercano podría superar ambos problemas a la vez construyendo un detector muy pequeño.

  Te encuentras con dos problemas.

  1. En ese punto, el haz ya tiene varios metros de ancho, por lo que un detector realmente pequeño exacerba el problema de la pequeña sección transversal.

  2. Debe estar lo suficientemente lejos para perder los muones, ya que se genera un número no trivial de estos, y aunque probablemente pueda identificarlos con veto alrededor de sus tiempos de llegada (y tiene que ser un veto moderadamente largo debido al riesgo de productos de espalación) tienes que alejarte lo suficiente para que el tiempo muerto no te mate.

     Puede usar un gran imán de barrido después de que se detenga el haz de la línea de decaimiento . Eso suena prometedor, pero luego pierde su mejor herramienta para determinar cuándo podría tener productos de espalación (que debe vetar o restar), por lo que debe ir lo suficientemente lejos como para deshacerse de la mayoría de ellos.

• El punto de partida no está bien definido en escalas de corta distancia.

  Los haces de neutrinos son generados por la descomposición de partículas de alta energía en vuelo . Debido a que el momento de ese decaimiento es aleatorio en forma exponencial, no se sabe exactamente dónde comenzaron los neutrinos. Tendrá que medir desde algún lugar bien conocido y corregir el tiempo de vuelo de estas partículas más pesadas en la bocina. Ahora, estamos bastante seguros de poder hacer esto en una escala de pocos ns, no será posible hacerlo mucho mejor que eso.

Por cierto, si está pensando que OPERA parece suboptimizado para esta medida, es porque lo es. Esta es una medida parásita que simplemente aprovecha una máquina diseñada para medir los parámetros de mezcla de neutrinos en el$\nu_\mu \to \nu_\tau$canal de aparición, y la necesidad de identificar sin ambigüedades$\nu_\tau$eventos de corriente cargada (observando inequívocamente el$\tau$-lepton) impulsa el diseño del detector.

Para responder a la pregunta del título,$10^{-15}$los segundos se pueden medir de forma rutinaria con peines ópticos ( ver aquí para una revisión). Según Wikipedia , también se pueden medir procesos en décimas de femtosegundo.

EDITAR: como señaló Georg, un peine de frecuencia no sería útil para medir el tiempo de vuelo de las partículas entre dos ubicaciones distantes (¿y posiblemente ni siquiera para distancias cortas? No lo sé).