El detector del fín del mundo

 

El neutrino es una de las partículas subatómicas más difíciles de detectar. No tiene carga eléctrica, su masa es extremadamente pequeña y sólo es afectado por lo que se denomina interacción débil. Se produce en diversos procesos físicos, muchos de los cuales ocurren en lugares remotos del Universo.

Una partícula escurridiza

Los telescopios tradicionales detectan luz visible, ondas de radio (radiotelescopios), rayos X o rayos gamma provenientes de lugares lejanos del Universo. Sucede muchas veces que esta radiación electromagnética se dispersa o se absorbe en el camino entre la fuente y la Tierra, de manera que la información que podría aportarnos para entender los procesos físicos que ocurren en esos lugares se pierde para siempre. Los neutrinos, en cambio, pueden atravesar grandes cantidades de materia y viajar a través de los campos magnéticos sin frenarse ni alterar su camino. Serían el mensajero ideal para traernos datos sobre los lugares donde se originan.

La pregunta más evidente es cómo detectar una partícula tan escurridiza como los neutrinos. Para hacerlo es necesario que encuentre a otra partícula y se produzca una interacción. La probabilidad de que este encuentro ocurra aumenta cuando el neutrino posee mayor energía y cuando un número grande de otras partículas se interponen en su camino, de la misma manera que un conductor tiene más probabilidad de sufrir un choque si maneja a alta velocidad por una avenida muy transitada. Entonces, si queremos detectar neutrinos de alta energía, una solución posible es interponer en su camino toda la materia que tengamos disponible. O sea, poner todo el planeta Tierra entre los neutrinos y nuestro detector.  

Un destello en el hielo 

En las mencionadas interacciones se produce otra partícula, el muón, que puede ser detectada con relativa facilidad. Dado que el muón tiene carga eléctrica, es posible utilizar lo que se denomina efecto Cherenkov: cualquier partícula cargada que atraviesa un material transparente a alta velocidad produce luz. Con instrumentos sensibles a este tipo de radiación es posible reconstruir el camino seguido por el muón y tratar de deducir a partir de él el camino del neutrino que lo originó. 

Lo que necesitamos es conseguir una gran cantidad de material transparente donde podamos ver la luz producida por los muones. Desde el punto de vista práctico lo más adecuado es utilizar un medio natural, como un gran lago, el océano o un glaciar. Así surge la idea de construir Amanda (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array) y unos años después IceCube en la base Amundsen-Scott, en la Antártida, más precisamente en el Polo Sur. Aproximadamente 3 km de hielo se acumulan sobre la superficie del continente en ese lugar y este enorme glaciar puede ser utilizado como parte del detector. Las capas más profundas se encuentran casi libres de burbujas de aire (debido a la alta presión) y son extremadamente transparentes.

AMANDA fue construido y operado por una colaboración internacional de laboratorios de Alemania, Bélgica, Estados Unidos y Suecia. Esta formado por 680 fotomultiplicadores (detectores de luz muy sensibles), colocados en el hielo, a una profundidad que oscila entre los 1150 y los 2350 metros. Funcionó hasta el año 2009.

Aprovechando la experiencia cosechada en AMANDA, se decidió la construcción de un detector de neutrinos mucho más grande: IceCube. Al igual que su predecesor, estudia los neutrinos que llegan desde abajo, atravesando la Tierra desde el hemisferio norte. Estos interactúan en la roca o el hielo debajo del detector produciendo muones, cuya luz Cherenkov es vista por los fotomultiplicadores. Se mide el tiempo relativo en que la luz llega a cada uno de ellos y así se reconstruye el camino seguido por el muón y el neutrino.

El detector del fin del mundo 

Realizar este experimento sería relativamente fácil, si no fuera por la ubicación del detector. El Polo Sur está a miles de km de cualquier lugar habitado. Sólo se puede llegar hasta allí en verano, cuando la temperatura promedio es de 30 grados bajo cero. Durante los 6 meses de invierno el sol no aparece sobre el horizonte y las temperaturas descienden hasta los 70 grados bajo cero, haciendo imposible el acceso.

Afortunadamente, el interés de Estados Unidos por mantener una presencia activa en el Polo Sur hizo que se construyera allí una estación (llamada Amundsen-Scott en honor a los primeros exploradores en llegar al Polo Sur), con las mejores instalaciones que el lugar permite para garantizar la posibilidad de realizar todo tipo de actividades científicas. La marina norteamericana realiza vuelos regulares hacia el Polo durante el verano, transportando alimentos, equipos y personal, entre ellos científicos de varias nacionalidades y de diversas disciplinas. A pesar de ser verano, el frío es tan intenso que los Hércules C-130 que se utilizan para el transporte deben permanecer con sus motores encendidos durante el tiempo necesario para la carga y descarga. Si no lo hicieran, el aceite de los motores se congelaría y no podrían volver a despegar. También es necesario equiparlos con esquíes en lugar de ruedas, para permitir el aterrizaje sobre la pista que se improvisa aplanando el hielo con palas mecánicas.  

Un largo y oscuro invierno

Si bien no es posible llegar hasta la estación durante el largo y oscuro invierno, alguien debe cuidar las instalaciones de los diversos experimentos. Un centenar de personas despiden en febrero al último avión y se quedan allí, sólo comunicados con el resto del mundo a través de Internet.

Evidentemente este trabajo no es para cualquiera. Hay que pasar meses alejados de las personas queridas, en un desierto de hielo, con temperaturas imposibles de soportar sin equipos especiales y sin ver el sol. Los candidatos se eligen, además de por su habilidad para mantener la estación en funcionamiento, por sus excelentes condiciones físicas y psíquicas. Las instalaciones permitirían atender una emergencia médica no muy complicada, pero lo mejor es prevenir cualquier problema. También es extremadamente importante que los elegidos puedan integrarse como un grupo y que sean capaces de soportar el aislamiento.

Construyendo IceCube

Colocar los detectores en un ambiente tan hostil no es sencillo. Se perforan agujeros en el hielo utilizando agua caliente a presión. Se controla precisamente la posición del taladro, de manera que es posible llegar hasta profundidades mayores a los 2 km con mínimas desviaciones de la vertical. Una vez terminada la perforación se colocan los fotomultiplicadores en cables de acero y se comienzan a bajar con la ayuda de una grúa. Para este trabajo es necesario permanecer varias horas fuera de la estación, trabajando con ropa especial, que muchas veces dificulta los movimientos. A esto se suma el efecto de la altura (cerca de 2800 m sobre el nivel del mar) que reduce el oxígeno y acelera el cansancio físico. 

Cada cuerda cuenta con 60 fotomultiplicadores y la instalación puede demorar un par de días. Luego de aproximadamente una semana, el agujero se congela nuevamente, en forma natural. Con un total de 86 cuerdas, el número de fotomultiplicadores de IceCube asciende a 5160.

El observatorio fue construído con contribuciones de la National Science Foundation (NSF) de EE. UU. y la colaboración de agencias científicas de otros países. Unos 250 científicos e ingenieros de EE. UU., Canadá, Alemania, Suecia, Bélgica, Suiza, Japón, Nueva Zelanda, Australia y Barbados forman la colaboración internacional. 

El 15 de mayo de 2013 se realizó una presentación en el Simposio IceCube de Astrofísica de Partículas en UW-Madison (Wisconsin, EE. UU.), en la que se reporta la detección de 28 neutrinos de energía extremadamente alta que podrían tener su origen en fuentes cósmicas. Dos de ellos alcanzan energías mayores a 1 petaelectronvolt (PeV), un nivel de energía miles de veces mayor que la de los neutrinos de mayor energía producidos en un acelerador hecho por el hombre. 

Miles de millones de neutrinos pasan a través de la Tierra cada segundo, no obstante la gran mayoría se originan en el Sol o en la atmósfera terrestre. Mucho más raros son aquellos de alta energía que pueden visitarnos desde los más poderosos eventos cósmicos (explosiones de rayos gamma, agujeros negros o estrellas en formación), donde se crearían asociados a los rayos cósmicos de alta energía que pueden alcanzar miles de PeVs (para más información sobre estos rayos cósmicos visiten www.auger.org.ar

En la mencionada charla se describieron los 28 eventos de neutrinos de alta energía detectados entre mayo de 2010 y mayo de 2012. Sus propiedades son fuertemente inconsistentes con lo que se esperaría de los neutrinos atmosféricos y exactamente lo que se esperaría de una fuente astrofísica, según se comentó en la presentación. Aún es pronto para especular sobre su origen, pero la colaboración IceCube continúa refinando y extendiendo el análisis. 

Entender la física en el Universo 

El objetivo es conseguir, después de tanto esfuerzo, que IceCube nos ayude a entender los procesos físicos que ocurren en lugares lejanos del Universo. Las teorías indican que los remanentes de supernovas, las estrellas binarias, los púlsares y los núcleos galácticos activos serían fuentes de neutrinos de alta energía. Al detectarlos podríamos confirmar estas teorías y aprender más sobre lo que pasa dentro de esos objetos estelares. Pero el plato fuerte puede venir de más cerca, desde el centro de nuestro planeta. Algunas teorías predicen la existencia de partículas denominadas neutralinos, que se acumularían en el centro de cuerpos masivos como la Tierra o el Sol. Estas partículas son uno de los candidatos a ser la materia oscura del Universo. Los neutralinos se aniquilarían produciendo neutrinos que pueden ser detectados por IceCube, confirmando así su existencia. Contribuiría así, al menos en parte, a develar varios misterios que vienen preocupando a los astrofísicos y a los físicos de partículas desde hace años. Y todo gracias a una partícula casi insignificante, que fue “inventada” por los físicos teóricos para que las cuentas cerraran, pero que existe y logró convertirse en protagonista de la ciencia moderna.

 

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