Neutrinos extraterrestres detectados en el Polo Sur
Si a Shackleton o a Amundsen les hubiesen contado que algún día habría un laboratorio gigante con aspecto de nave espacial sobre los mismos hielos que destrozaban sus barcos y mataban a sus tripulaciones en la Antártida, hubieran pensado que se trataba de una locura. Y lo mismo le ocurrió en los años 70 a las autoridades norteamericanas cuando escuchaban a un grupo de investigadores de Estados Unidos plantear la idea de construir un cubo de un kilómetro por un kilómetro enterrado a 2.500 metros de profundidad bajo el hielo de la Antártida para observar los neutrinos que llegan desde el Universo. Pero esa locura es una realidad que acaba de producir sus primeros resultados importantes, y prometen revolucionar la Astronomía.
El grupo de 276 científicos de 12 países que trabaja en IceCube ha detectado por primera vez neutrinos -un tipo de partículas subatómicas que pueden generarse en el Sol, en fenómenos astrofísicos como el Big Bang, el CERN o en las centrales nucleares- de alta energía que proceden de más allá de nuestra galaxia.
«Este es el primer indicio de neutrinos de muy alta energía de fuera del Sistema Solar», explicaba ayer Francis Halzen, investigador principal de IceCube, profesor distinguido de Física en la Universidad de Wisconsin-Madison y verdadero padre intelectual del proyecto. «Es muy gratificante ver finalmente lo que hemos estado buscando.Este es el comienzo de una nueva era para la Astronomía», sentenció.
Uno de los agujeros del IceCube, taladrados en el hielo. | Science
La frase de Halzen está justificada. Este descubrimiento supone que se podrá utilizar la información que se pueda extraer de los neutrinos provenientes del espacio para hacer Astronomía. Según, Juan Antonio Aguilar, investigador de la Universidad de Ginebra y miembro del equipo de IceCube, el hallazgo es similar a la primera vez que se utilizaron rayos X o radiación Gamma para obtener imágenes del espacio profundo, dos técnicas que revolucionaron la investigación astronómica moderna.
Una nueva puerta al espacio
Los neutrinos pueden producirse a partir de muchas fuentes, algunas del espacio y otras situadas en la atmósfera terrestre. De hecho, esta no es la primera vez que se detectan neutrinos cósmicos. En 1987, varios detectores alrededor del mundo observaron un pulso de neutrinos de baja energía producidos por una supernova cercana (una explosión estelar).
El número de neutrinos extraterrestres detectados -28- puede parecer escaso para dos años de trabajo, pero la clave está en la energía que tienen. «Los neutrinos que hemos detectado tienen energías entre un millón y mil millones más energía que los neutrinos solares o de la Supernova de 1987», explica Carlos de los Heros, profesor de la Universidad de Uppsala y uno de los investigadores que diseñaron el prototipo del observatorio IceCube. Nunca se habían detectado estas partículas de muy alta energía -porque hasta la construcción de IceCube no existía ningún observatorio capaz de hacerlo-, y eso abre una nueva puerta a la exploración del espacio.
IceCube es la trampa de neutrinos más sensible que se haya construido jamás y la única lo bastante grande para cazar neutrinos cósmicos de muy alta energía. El observatorio astronómico, al contrario que los telescopios que todo el mundo puede tener en mente, consiste en 87 agujeros taladrados en el hielo polar hasta una profundidad de más de 2.000 metros. En cada uno de ellos se desliza una cuerda que lleva anudados unos detectores del tamaño de pelotas de baloncesto. Y son precisamente esas esferas las responsables de captar las tenues señales de los neutrinos que atraviesan la Tierra provenientes de la atmósfera, del Sol y del espacio exterior al Sistema Solar.
El Sol emite un flujo muy intenso de neutrinos, pero son de una energía muy baja, de unos 10 MeV. Y la misma magnitud emiten las supernovas o las centrales nucleares, debido a la desintegración de núcleos inestables producidos al quemar el combustible.
«Somos ciegos a esos neutrinos, -explica De los Heros-. El diseño del detector desde el principio estuvo enfocado a buscar neutrinos de energía mucho más alta. Y tras muchos años de planificación y construcción, el detector ha dado sus frutos». Los 28 neutrinos extraterrestres observados tienen energías desde 30 millones de MeV, hasta dos de ellos con energías por encima de los 1.000 millones de MeV (1.000 TeV). Estos dos neutrinos muy energéticos son tan importantes para los investigadores y para el futuro de la Astronomía que han terminado por ponerles apodo: Ernie y Bert (Epi y Blas).
El Mundo
La detección de 28 partículas fantasma inicia una nueva era en la exploración espacial
Laboratorio en superficie de IceCube
Los ordenadores en el laboratorio de IceCube recogen los datos en bruto que se producen en los detectores enterrados en el hielo antártico. Los sucesos con especial interés se envían hacia los centros de investigación del norte por vía satélite. Felipe Pedreros, IceCube/NSF
A finales de los años 20, cuando el sueño de dominar la inmensa energía que mantiene los átomos unidos comenzaba a hacerse realidad, Wolfgang Pauli trataba de resolver una aparente incoherencia en el funcionamiento de la materia. Cuando se desintegraban algunos núcleos atómicos, desaparecía cierta cantidad de energía de manera inexplicable y eso era una transgresión intolerable de las leyes físicas. Para salvar el principio de conservación de la energía, Pauli propuso la existencia de una partícula fantasmagórica, sin carga eléctrica, con una masa ínfima y que prácticamente no interaccionaría con la materia. Veintiséis años después, y gracias a otro fruto de los avances de la física atómica, Frederik Reines y Clyde Cowan, junto a un reactor nuclear, detectaron por primera vez un neutrino.
A finales de los años 20, cuando el sueño de dominar la inmensa energía que mantiene los átomos unidos comenzaba a hacerse realidad, Wolfgang Pauli trataba de resolver una aparente incoherencia en el funcionamiento de la materia. Cuando se desintegraban algunos núcleos atómicos, desaparecía cierta cantidad de energía de manera inexplicable y eso era una transgresión intolerable de las leyes físicas. Para salvar el principio de conservación de la energía, Pauli propuso la existencia de una partícula fantasmagórica, sin carga eléctrica, con una masa ínfima y que prácticamente no interaccionaría con la materia. Veintiséis años después, y gracias a otro fruto de los avances de la física atómica, Frederik Reines y Clyde Cowan, junto a un reactor nuclear, detectaron por primera vez un neutrino.
En aquellas décadas prodigiosas entre las dos guerras mundiales, los progresos en el conocimiento de la materia que dieron a conocer el neutrino coincidieron también con otros momentos transformadores para la astronomía. Edwin Hubble nos enseñó que nuestra galaxia era solo una entre muchas y Fritz Zwicky planteó la posibilidad de que algunas estrellas acabarían su vida con un inmenso estallido: supernovas que en su último estertor llenarían el espacio de rayos cósmicos ultraenergéticos. Más de 80 años después, un artículo que hoy se publica en la revista Science reúne de alguna manera a Pauli, Hubble y Zwicky y puede que, en palabras del investigador de la Universidad de Maryland (EEUU) y coautor del artículo Gregory Sullivan, haya dado comienzo a “la era de la astronomía de neutrinos”. Estas partículas predichas por Pauli podrían servir para estudiar de una forma completamente nueva las supernovas y los rayos cósmicos anunciados por Zwicky y además podrían hacerlo en galaxias lejanas como las que descubrió Hubble.
Esta “nueva era” de la cosmología comenzó en abril de 2012, en la Antártida. Allí está instalado IceCube, el que se puede considerar el mayor telescopio del mundo, un artefacto descomunal que costó 271 millones de dólares y requirió seis años de construcción. Enterrados bajo el hielo del Polo Sur, a profundidades de entre 1,5 y 2,5 kilómetros, hay 5.160 detectores distribuidos en un espacio de un kilómetro cúbico. Una gigantesca trampa preparada para capturar unas partículas tremendamente escurridizas.
Por dar una idea de lo difícil que es atrapar a un neutrino, hay que tener en cuenta que billones de ellos nos atraviesan cada segundo, pero si el detector solo tuviese nuestro tamaño, serían necesarios 100.000 años para ver interactuar a un neutrino con uno de nuestros átomos. La ausencia de carga eléctrica hace que no se vean afectados por la fuerza electromagnética y su levedad les hace inmunes a la gravedad. Son tan indiferentes frente a otras partículas que podrían atravesar un bloque de plomo de más de nueve billones de kilómetros de grosor sin problemas.
Pese a la dificultad de la tarea, un detector como IceCube es capaz de captar gran cantidad de neutrinos de baja energía como los producidos en los choques de los rayos cósmicos contra la atmósfera. Sin embargo, lo que sucedió en abril del año pasado fue aún más extraordinario. Dos neutrinos de más de 1.000 teraelectronvoltios (TeV) habían atravesado los dispositivos de IceCube. Normalmente, los que proceden del Sol y del impacto de los rayos cósmicos tienen entre uno y diez TeV, 100 como mucho. Esa elevada energía hacía sospechar que habían surgido fuera del Sistema Solar, en algún evento cósmico ultraviolento. A partir de ahí, los responsables de IceCube volvieron a buscar en sus registros entre mayo de 2010 y mayo de 2012. Allí, encontraron otros 26 sucesos de alta energía, que hoy se presentan en Science junto a los dos superneutrinos conocidos como Epi y Blas.
“Estos descubrimientos abren lo que llamaríamos la astrofísica de más altas energías y, probablemente, aunque aún se deberá determinar, la era de la astrofísica de neutrinos extragalácticos”, opina Carlos Peña Garay, investigador del Instituto de Física Corpuscular (UV/CSIC) de Valencia. “Hasta ahora, con los telescopios que observan rayos X o el espectro de luz visible, cuando estudiamos un agujero negro o una supernova nos estamos quedando en lo que sucede alrededor de esas máquinas que aceleran las partículas a muy altas energías, pero no vemos lo que está pasando realmente en su interior”, explica Peña Garay. “Con los neutrinos podremos ir más allá de los procesos electromagnéticos y se podrá observar lo que sucede con las interacciones fuertes y débiles dentro de estos aceleradores de partículas astrofísicos”, añade.
Un Nobel para la astronomía de neutrinos
Aún queda trabajo para saber si los neutrinos capturados en IceCube proceden de fuera de la Vía Láctea, pero es probable que tarde o temprano se sepa. De hecho, ya en 1987 Masatoshi Koshiba, en lo que se considera el inicio, aunque fuese incipiente, de la astronomía de neutrinos, detectó neutrinos procedentes de la supernova SN 1987A, que se encuentra en la Gran Nube de Magallanes, una pequeña galaxia vecina de la nuestra. Por este hallazgo, Koshiba recibió en 2002 el premio Nobel junto a Raymond Davis, pionero en la detección de neutrinos cósmicos.
Uno de los misterios que se pueden resolver en esta nueva era de la astronomía es el origen de los rayos cósmicos. “Estos rayos son partículas cargadas de energía (protones o núcleos de átomos más pesados) que llegan hasta la Tierra a unos niveles energéticos muy superiores a los que se pueden alcanzar en el LHC, el acelerador más potente del mundo”, explica el investigador de la Universidad de Wisconsin Claudio Kopper, uno de los responsables de comprender los datos recogidos por IceCube. “Pero encontrar su origen es complicado, porque como estas partículas tienen carga, se ven afectadas por los campos magnéticos galácticos e intergalácticos y sus trayectorias pasan de ser rectas a verse curvadas”, añade Kopper. Por ese motivo, es muy complicado determinar su dirección y averiguar su origen. “Sabemos, sin embargo, que estas partículas de alta energía pueden experimentar interacciones en sus fuentes que generan neutrinos ultraenergéticos”, apunta. “Como los neutrinos no tienen carga e interactúan muy rara vez, es más sencillo conocer su origen y llegan a nosotros prácticamente intactos”, concluye.
Ahora, los científicos, con los datos que recogerá a lo largo de los próximos años IceCube, tratarán de encontrar el punto del que proceden estos neutrinos de alta energía. Después, observando en el cielo qué tipo de objetos se encuentran en esa dirección, será posible conocer, por fin, qué tipo de monstruos del universo tienen el poder necesario para acelerar las partículas hasta las energías descabelladas que conocemos. Hace 80 años, Pauli, Zwicky y Hubble resolvieron algunas preguntas fundamentales sobre la naturaleza del mundo en que vivimos y con ellas iniciaron a la humanidad en nuevos misterios entonces insondables. Hoy, en una revista estadounidense se anuncia que un inmenso ingenio enterrado bajo el Polo Sur promete acabar con algunos de aquellos misterios y amenaza con introducirnos en otros aún más intrincados. Los autores del hallazgo lo tienen claro: una nueva era ha comenzado.
Montaje de IceCube
Miembros de la colaboración IceCube trabajando en el despliegue de los detectores cerca del polo sur. Los trabajos acabaron en 2010 y duraron seis años. Freija Descamps. IceCube/NSF
Recreación artística de los detectores enterrados
IceCube está compuesto por 5.160 detectores como los que se ven en la recreación suspendidos en 86 cables incrustados en un kilómetro cúbico de hielo bajo el polo sur. Jamie Yang. IceCube Collaboration
Inserción de un detector
Los detectores se incrustan en el hielo que se perfora con chorros de agua caliente a alta presión. Después, los detectores quedan fijados cuando el hielo se vuelve a formar a su alrededor. IceCube/NSF
La escala de IceCube
En la imagen se pueden ver las dimensiones descomunales del telescopio en comparación con una gran infraestructura como la Torre Eiffel. IceCube/NSF
Epi
Epi (Ernie, en la versión en inglés), con 1,4 Petaelectronvoltios es el neutrino más energético jamás observado. IceCube Collaboration
Blas
Blas (Bert en su versión en inglés) es el segundo neutrino más energético jamás observado con 1,4 Petaelectronvoltios. IceCube Collaboration
Materia
Comments