Fotógrafos del Universo

Esta entrada ha sido escrita por Laura Morrón (@lauramorron)

La observación del universo siempre ha sido una fuente primordial de conocimiento. Sin embargo, la tecnología de detección desarrollada hasta ahora,  no ha permitido desentrañar secretos fundamentales de la astrofísica y la cosmología. Con el fin de dar respuesta a algunas de estas cuestiones, el proyecto Ice Cube tiene como objetivo realizar una representación de las zonas inexploradas del Universo. Los fotógrafos encargados de la misión son los neutrinos de alta energía y el detector que construirá la imagen a partir de los datos de estas partículas, un gigantesco bloque de hielo enterrado en las profundidades del manto glacial antártico.

Los neutrinos

Los neutrinos fueron predichos con el fin de resolver la aparente violación de los principios de conservación de energía y momento que presentaba la desintegración beta, proceso mediante el cual el núcleo busca un mayor grado de estabilidad. Las partículas beta obtenidas no cuentan con valores discretos de energía sino que muestran un espectro continuo y, en la mayoría de ocasiones, su energía no compensa la masa perdida por el núcleo.

El primer intento de justificar la anomalía observada en el patrón de energías lo formuló Niels Bohr. Planteó algo tan atrevido como que el principio de conservación de la energía y del momento no se cumplía a nivel subatómico. Años más tarde, en 1930, Wolfgang Pauli propuso “una salida desesperada” que no violaba el principio de conservación. Predijo la existencia de una partícula hipotética neutra muy difícil de detectar que tomaba parte de la energía de la desintegración beta. Finalmente, tres años más tarde, Enrico Fermi denominó a la partícula neutrino y le proporcionó un firme desarrollo teórico. Su descubrimiento experimental se produjo el 1956 por parte de Clyde Cowan y Fred Reines.

En el modelo estándar en el que vienen caracterizados los componentes de la materia, los neutrinos se clasifican como leptones debido a que no experimentan la interacción fuerte. A su vez, su carencia de carga eléctrica hace que tampoco estén sometidos a la interacción electromagnética. Por tanto, la física que los describe es la de la interacción débil. Existen tres tipos de neutrinos pertenecientes, cada uno de ellos, a las diferentes familias de partículas del modelo estándar: neutrino electrónico, muónico y tau.

Modelo estándar de la partículas fundamentales. Ilustración de Raquel Garcia Ulldemolins (@RaquelberryFinn)

Si bien en un principio se creyó que su masa era nula, más tarde se demostró que no puede ser así debido a un proceso cuántico que experimentan denominado oscilación y que consiste, a grandes rasgos, en el posible cambio de identidad, de familia, durante su propagación en el espacio. (Ver entrada: A los neutrinos les gustan los balancines.)

Finalmente, una característica clave para la elección de los neutrinos como mensajeros es el pequeño valor de sus secciones eficaces o probabilidad de interacción con otras partículas. Esto les permite viajar desde la fuente que los origina hasta nosotros sin apenas interactuar con nada. En comparación con las partículas empleadas en detectores anteriores, no presentan problemas como la falta de información sobre la direccionalidad del proceso físico que los produce (caso de los protones), el rápido decaimiento (neutrones), o la absorción (fotones de alta energía).

El problema es que las propiedades que hacen de ellos unos excelentes espías del cosmos los convierten al mismo tiempo en partículas muy celosas de su información. La dificultad de detección es el principal problema a la hora de extraer los datos obtenidos y realizar la posterior valoración de resultados.

El detector

El Ice Cube es el primer telescopio en contar con el volumen necesario para registrar la señal resultante de la interacción de un neutrino astrofísico con alguna de las moléculas del medio que lo componen. En esta colisión se producen partículas cargadas, entre ellas el muón. Éste se distingue de otras partículas, por poder seguir desplazándose varios kilómetros por el medio siguiendo la misma trayectoria que llevaba el neutrino antes de interaccionar. Si su energía es suficientemente elevada, será detectado a partir de la radiación de Cherenkov que se produce al moverse a una velocidad superior a la de la luz en el hielo. Este cono de luz azulada sólo puede ser visto en un medio transparente y oscuro como el mar o el hielo. Si bien el océano fue el primer candidato, la inestabilidad marina hizo que el hielo fuese, finalmente, el elegido.

El Ice Cube está constituido por un bloque de hielo de 1 km3 enterrado a 1450 metros de la superficie alcanzando los 2450 metros de profundidad. En su interior cuenta con 86 hoyos tubulares que albergan en su interior sensores esféricos. La distancia entre sensores es tal que evita que un fotón de Cherenkov generado se absorba en el hielo antes de llegar al detector. En 80 de las cadenas hay 60 sensores separados una distancia de 17 m mientras que en las otras 6 éstos están más próximos y pueden detectar la señal de neutrinos menos energéticos.

Los sensores esféricos o módulos ópticos digitales denominados DOM (Digital Optical Module) están formados por un tubo fotomultiplicador que convierte la señal luminosa en eléctrica amplificando su magnitud, un convertidor analógico-digital y un procesador de datos. A parte, existen otros componentes imprescindibles como los cables de conexión con la superficie, los conectores con los DOMs vecinos, la alimentación, los relojes de sincronización o el sistema de calibración que permite compensar las diferencias en la transparencia del hielo. Las características de los distintos elementos tratan de minimizar los errores que pueden darse en el proceso.

Las principales fuentes de ruido que pueden confundirse con la señal son los electrones liberados por agitación térmica, que el detector puede identificar como fotones, y aquellos muones que proceden de rayos cósmicos y no de neutrinos. Para los primeros se consulta a los DOMs vecinos ya que es poco probable que varios hayan experimentado la misma fluctuación térmica. La identificación de los muones de interés se hace detectando los neutrinos provenientes del Polo Norte, que han tenido que atravesar toda la tierra. Los muones cósmicos  originados en el Polo Norte no pueden recorrer miles de kilómetros mientras que los neutrinos sí pueden hacerlo.

Si bien los DOMs constituyen los ojos del detector, el elemento principal que gestiona todos los datos recibidos y extrae la información de utilidad para el proyecto científico es el IceCube Laboratory. Éste consta de una importante componente computacional, una parte de filtraje y selección de datos y una parte de control.

El winter over

Una figura crucial en el proyecto es el Winter over. La baja probabilidad de interacción que presentan los neutrinos hace indispensable que el detector esté funcionando de forma continua. Por ello, es necesaria la presencia de un responsable que controle durante las 24 horas que no existe ningún problema, o que, en caso de producirse, se resuelva con la máxima celeridad.

La situación geográfica del Ice Cube conlleva que sus guardianes deban permanecer totalmente aislados durante el invierno polar. Comparten la base Amundsen-Scott con otros científicos que realizan investigaciones en la zona. Las condiciones meteorológicas son extremas pero la base cuenta con los recursos necesarios para  hacer la vida de sus inquilinos lo más agradable posible. Existe una gran coordinación en el reparto de tareas y se distribuyen en grupos para hacer frente a las posibles emergencias. Todos ellos viven la experiencia como un desafío intelectual y humano.

Carlos Pobes

Los dos Winter over del periodo 2012-2013 destinados al Ice Cube son Sven Lidstrom y Carlos Pobes. Ambos alternan las semanas de guardia nocturna del detector y comparten el resto de trabajos asociados al experimento. En el blog de Carlos Pobes, se describen de primera mano los aspectos más importantes de la vida en la base y se refleja el reto que supone.

Objetivos y Resultados

La física asociada a las partículas estrella del experimento, los neutrinos, junto a la localización de la base, hacen del Ice Cube un proyecto candidato a aportar los resultados experimentales necesarios para afianzar algunos de los principales modelos teóricos sobre la estructura del universo.

Una de las cuestiones básicas que busca resolver el telescopio neutrínico es el origen de los rayos cósmicos. Éstos son partículas muy energéticas, cargadas eléctricamente, que interaccionan con la Tierra desde todas las direcciones. Cuánto más energéticos son los rayos cósmicos y más cercana a la velocidad de la luz es la velocidad de las partículas que los componen, más complejo resulta determinar el fenómeno astrofísico que los crea.

A nivel teórico se han establecido diversas fuentes posibles de rayos cósmicos: fulguraciones solares, explosiones de supernova, agujeros negros supermasivos en los centros de galaxias activas o estallidos de rayos gamma (GRBs). El estudio de la veracidad de dichas teorías se realiza a través de la detección de los neutrinos que, según las previsiones, se producen al tiempo que los rayos cósmicos. En particular, la localización de fuentes de neutrinos de energías muy altas (varios PeV) serviría para explicar el misterio sobre la formación de los rayos cósmicos más energéticos.

Los rayos cósmicos fueron descubiertos por Victor Hess, que recibió el premio Nobel en 1936 por su hallazgo. En 1925, Robert A. Millikan confirmó el descubrimiento y acuñó la expresión «rayos cósmicos».

Respecto a los resultados obtenidos, cabe destacar que hasta el verano de 2011 no se habían detectado eventos de neutrinos de alta energía coincidentes con estallidos de rayos gamma, lo que hizo cuestionar la teoría sobre el mecanismo de los procesos que los generan.  Finalmente, en junio de 2012, IceCube (IC) anunció en dos conferencias, la detección de dos sucesos en cascada inducidos por neutrinos con energías del orden de 1 a 10 PeV que probablemente son cosmogénicos. En cualquier caso, la discrepancia entre las previsiones teóricas de ritmo de sucesos y la evidencia experimental abre la puerta a la revisión de los modelos actuales.

Otros de los objetivos científicos del Ice Cube son:

1.-  La detección indirecta de la materia oscura a través del registro de un exceso de neutrinos en la dirección del sol. Estos neutrinos serían productos resultantes de la aniquilación entre hipotéticas partículas masivas con interacción débil (WIMP), capturadas gravitacionalmente por objetos como el sol y acumuladas en su núcleo.

2.-  Crear un mapa de flujo de neutrinos del hemisferio norte similar a los mapas de la radiación de fondo de microondas ya existentes. En el hemisferio sur estos neutrinos quedan anegados por el fondo de muones de los rayos cósmicos descendentes, en tanto que en el hemisferio norte, este fondo de muones queda absorbido por la Tierra. A propósito de este estudio cabe destacar que se ha observado una ligera anisotropía (menor al 1%) en los muones de rayos cósmicos y el efecto sombra de la Luna. Éste último consiste en el bloqueo de la radiación cósmica por la Luna, y aparece como un déficit de lluvias de muones en la dirección del satélite.

3.-  Observar las oscilaciones de neutrinos en lluvias de rayos cósmicos atmosféricos, a través de toda la tierra. A partir del estudio de las observaciones deberá revisarse si existe una desviación en el pico de la oscilación que determina la jerarquía de masas de los neutrinos. El 4 de junio de 2012, Andreas Gross presentó resultados que confirman la oscilación a altas energías.

4.-  Descubrir supernovas locales a partir de la detección de un breve y amplio aumento de la tasa de ruido de fondo. Las supernovas deberán estar relativamente cerca (dentro de nuestra galaxia) para obtener resultados fiables.

5.-  Proporcionar la primera evidencia experimental firme de las dimensiones extras predichas en los modelos de teoría de cuerdas. Según algunos físicos, una diferencia entre el número de neutrinos procedentes de «arriba» (hemisferio norte) y  los  de «abajo» en favor de estos últimos, aportaría un argumento sólido en favor de la teoría de cuerdas.

La meta del Ice Cube es contrastar algunas de las hipótesis teóricas desarrolladas los últimos años, de manera que aquellas que se confirmen sienten las bases de una nueva era de la física que vio su inicio con el descubrimiento de una nueva partícula fundamental: el candidato a Higgs. Las expectativas son altas, pero es probable que los neutrinos revelen misterios que ni si quiera contemplamos.

Las imágenes de esta entrada han sido utilizadas con el permiso de Carlos Pobes.