La instalación de superficie para el experimento IceCube, que se encuentra debajo de casi 1 milla (1,6 kilómetros) de hielo en la Antártida. IceCube sugiere que los neutrinos fantasmales no existen, pero un nuevo experimento dice que sí.
(Imagen: © Cortesía del Observatorio de Neutrinos IceCube)
En el páramo helado de la Antártida se encuentra un detector de partículas masivo, el Observatorio de Neutrinos IceCube. Pero buscar el instrumento en la superficie será difícil, porque la mayor parte del observatorio está atrapado debajo del hielo. El observatorio internacional ha estado buscando neutrinos, partículas sin masa y sin carga que casi nunca interactúan con la materia. Ahora, sus observaciones pueden resolver uno de los mayores misterios de la astronomía, respondiendo las preguntas detrás del origen de los neutrinos y los rayos cósmicos.
El mas grande de todos
El Observatorio de Neutrinos IceCube cubre un kilómetro cúbico cerca del Polo Sur. El instrumento cubre un kilómetro cuadrado de la superficie y se extiende hasta 4,920 pies (1,500 metros) de profundidad. Es el primer detector de neutrinos de gigatón jamás construido.
Si bien las fotografías de IceCube a menudo muestran un edificio sentado en la superficie nevada, el trabajo real se realiza a continuación. El experimento multipropósito incluye una matriz de superficie, IceTop, una matriz de 81 estaciones ubicadas sobre las cuerdas. IceTop sirve como detector de calibración para IceCube, así como para detectar duchas de aire de los rayos cósmicos primarios, y su flujo y composición.
El subdetector interno denso, DeepCore, es la potencia del experimento IceCube. Cada una de las estaciones IceTop está compuesta de cadenas unidas a módulos ópticos digitales (DOM) que se implementan en una rejilla hexagonal espaciada a 410 pies (125 metros) de distancia. Cada cadena contiene 60 DOM del tamaño de una pelota de baloncesto. Aquí, en lo profundo del hielo, IceCube puede buscar neutrinos que provienen del sol, de la Vía Láctea y del exterior de la galaxia. Estas partículas fantasmales están conectadas a los rayos cósmicos, las partículas de mayor energía jamás observadas.
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Partículas misteriosas
Los rayos cósmicos se descubrieron por primera vez en 1912. Las poderosas explosiones de radiación colisionan constantemente con la Tierra, llegando desde todas las partes de la galaxia. Los científicos calcularon que las partículas cargadas deben formarse en algunos de los objetos y eventos más violentos y menos entendidos del universo. La muerte estelar explosiva de una estrella, una supernova, proporciona un método para crear rayos cósmicos; los agujeros negros activos en el centro de las galaxias otro.
Sin embargo, debido a que los rayos cósmicos están formados por partículas cargadas, interactúan con los campos magnéticos de las estrellas y otros objetos por los que pasan. Los campos se deforman y cambian el camino de los rayos cósmicos, haciendo imposible que los científicos puedan rastrearlos hasta su fuente.
Ahí es donde entran en juego los neutrinos. Al igual que los rayos cósmicos, se cree que las partículas de baja masa se forman a través de la violencia. Pero debido a que los neutrinos no tienen carga, pasan por campos magnéticos sin cambiar su camino, viajando en línea recta desde su fuente.
"Por esta razón, la búsqueda de las fuentes de rayos cósmicos también se ha convertido en la búsqueda de neutrinos de muy alta energía", según el sitio web de IceCube.
Sin embargo, las mismas características que hacen que los neutrinos sean tan buenos mensajeros también significan que son difíciles de detectar. Cada segundo, aproximadamente 100 mil millones de neutrinos pasan a través de una pulgada cuadrada de su cuerpo. La mayoría de ellos provienen del sol y no son lo suficientemente energéticos como para ser identificados por IceCube, pero es probable que algunos se hayan producido fuera de la Vía Láctea.
Detectar neutrinos requiere el uso de material muy claro como el agua o el hielo. Cuando un solo neutrino se estrella contra un protón o neutrón dentro de un átomo, la reacción nuclear resultante produce partículas secundarias que emiten una luz azul conocida como radiación de Cherenkov.
"Los neutrinos que detectamos son como huellas digitales que nos ayudan a comprender los objetos y fenómenos donde se producen los neutrinos", según el equipo de IceCube.
Condiciones duras
El Polo Sur puede no ser el espacio exterior, pero trae sus propios desafíos. Los ingenieros comenzaron la construcción en IceCube en 2004, un proyecto de siete años que se completó según lo programado en 2010. La construcción solo podría llevarse a cabo durante unos pocos meses cada año, durante el verano del hemisferio sur, que ocurre de noviembre a febrero.
Perforar 86 agujeros requiere un tipo especial de taladro, dos de ellos, en realidad. El primero avanzó a través del abeto, una capa de nieve compactada, hasta unos 50 metros (164 pies). Luego, un taladro de agua caliente a alta presión se derritió a través del hielo a velocidades de aproximadamente 2 metros (6.5 pies) por minuto, hasta la profundidad de 2,450 metros (8,038 pies, o 1.5 millas).
"Juntos, los dos taladros pudieron producir consistentemente agujeros verticales casi perfectos listos para el despliegue de instrumentación a una velocidad de un agujero cada dos días", según IceCube.
Luego, las cuerdas tuvieron que desplegarse rápidamente en el agua derretida antes de que el hielo se volviera a congelar. La congelación tardó algunas semanas en estabilizarse, después de lo cual los instrumentos permanecieron intocables, permanentemente congelados en el hielo y no pudieron repararse. La tasa de falla de los instrumentos ha sido extremadamente lenta, con menos de 100 de los 5,500 sensores actualmente no operativos.
IceCube comenzó a hacer observaciones desde el principio, incluso mientras se desplegaban otras cadenas.
Cuando comenzó el proyecto, los investigadores no tenían claro qué tan lejos viajaría la luz a través del hielo, según Halzen. Con esa información bien establecida, la colaboración está trabajando hacia IceCube-Gen2. El observatorio mejorado agregaría aproximadamente 80 cadenas de detectores más, mientras que la comprensión de las propiedades del hielo permitirá a los investigadores colocar los sensores más separados que sus estimaciones conservadoras originales. IceCube-Gen2 debería duplicar el tamaño del observatorio por aproximadamente el mismo costo.
Ciencia increíble
IceCube comenzó a buscar neutrinos antes de que se completara, produciendo varios resultados científicos interesantes a lo largo del camino.
Entre mayo de 2010 y mayo de 2012, IceCube observó 28 partículas de muy alta energía. Halzen atribuyó la capacidad del detector de observar estos eventos extremos a la finalización del detector.
"Esta es la primera indicación de neutrinos de muy alta energía provenientes de fuera de nuestro sistema solar, con energías más de un millón de veces observadas en 1987 en relación con una supernova vista en la Gran Nube de Magallanes", dijo Halzen en un comunicado. "Es gratificante ver finalmente lo que hemos estado buscando. Este es el comienzo de una nueva era de astronomía".
En abril de 2012, un par de neutrinos de alta energía fueron detectados y apodados Bert y Ernie, en honor a los personajes del programa de televisión infantil "Sesame Street". Con energías superiores a 1 petaelectronvolt (PeV), el par fueron los primeros neutrinos detectados definitivamente desde fuera del sistema solar desde la supernova de 1987.
"Es un gran avance", dijo Uli Katz, físico de partículas de la Universidad de Erlangen-Nuremberg, en Alemania, que no participó en la investigación. "Creo que es uno de los descubrimientos más importantes en física de astro-partículas", dijo Katz a Space.com.
Estas observaciones dieron como resultado que IceCube recibiera el Premio al Año 2013 de Physics World.
Otra recompensa importante se produjo el 4 de diciembre de 2012, cuando el observatorio detectó un evento que los científicos llamaron Big Bird, también de "Sesame Street". Big Bird era un neutrino con una energía superior a 2 billones de electronvoltios, más de un millón de millones de veces mayor que la energía de una radiografía dental, empaquetada en una sola partícula con menos de una millonésima parte de una masa de un electrón. En ese momento, era el neutrino de mayor energía jamás detectado; a partir de 2018, todavía ocupa el segundo lugar.
Con la ayuda del telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA, los científicos vincularon a Big Bird con la explosión altamente energética de un blazar conocido como PKS B1424-418. Los Blazar están alimentados por agujeros negros supermasivos en el centro de una galaxia. A medida que el agujero negro se traga el material, parte del material se desvía hacia chorros que transportan tanta energía que eclipsan a las estrellas de la galaxia. Los chorros aceleran la materia, creando neutrinos y los fragmentos de átomos que crean algunos rayos cósmicos.
A partir del verano de 2012, el blazar brilló entre 15 y 30 veces más brillante en rayos gamma que su promedio antes de la erupción. Un programa de observación a largo plazo llamado TANAMI, que monitoreaba casi 100 galaxias activas en el cielo del sur, reveló que el núcleo del jet de la galaxia se había iluminado cuatro veces entre 2011 y 2013.
"Ninguna de nuestras galaxias observadas por TANAMI durante la vida del programa ha exhibido un cambio tan dramático", dijo Eduardo Ros, del Instituto Max Planck de Radioastronomía (MPIfR) en Alemania, en un comunicado de 2016. El equipo calculó que los dos eventos estaban vinculados.
"Teniendo en cuenta todas las observaciones, el blazar parece haber tenido medios, motivos y oportunidades para disparar el neutrino Big Bird, lo que lo convierte en nuestro principal sospechoso", dijo Matthias Kadler, profesor de astrofísica en la Universidad de Würzburg en Alemania."
En julio de 2018, IceCube anunció que, por primera vez, había rastreado a los neutrinos hasta su origen blazar. En septiembre de 2017, gracias a un sistema de alerta recién instalado que transmitió a los científicos de todo el mundo a los pocos minutos de detectar un fuerte candidato a neutrino, los investigadores pudieron girar rápidamente sus telescopios en la dirección en que se originó la nueva señal. Fermi alertó a los investigadores sobre la presencia de un blazar activo, conocido como TXS-0506 + 056, en la misma parte del cielo. Nuevas observaciones confirmaron que el blazar estaba en llamas, emitiendo explosiones de energía más brillantes de lo habitual.
En su mayor parte, TXS es un blazar típico; Es uno de los 100 blazars más brillantes detectados por Fermi. Sin embargo, si bien los otros 99 también son brillantes, no han arrojado neutrinos hacia IceCube. En los últimos meses, TXS se ha encendido, iluminado y atenuado hasta cien veces más fuerte que en años anteriores.
"El seguimiento de ese neutrino de alta energía detectado por IceCube hasta TXS 0506 + 056 hace que esta sea la primera vez que hemos podido identificar un objeto específico como la fuente probable de un neutrino de alta energía", Gregory Sivakoff, de la Universidad de Alberta en Canadá, dijo en un comunicado.
IceCube aún no ha terminado. El nuevo sistema de alerta mantendrá a los astrónomos alerta en los próximos años. El observatorio tiene una vida útil prevista de 20 años, por lo que hay al menos otra década de descubrimientos increíbles provenientes del observatorio del Polo Sur.
