El cielo profundo en las entrañas de la Antártida

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Escultura penetrable, museo Jesús Soto, Ciudad Bolívar, Venezuela.

Muy cerca de la base Amundsen-Scott del Polo Sur, sepultados hasta dos mil quinientos metros de profundidad, más de cinco mil ojos exploran el Universo.

Los científicos de la colaboración IceCube son los artífices de una estructura hexagonal de la cual penden 86 cuerdas 10 veces más largas que la Torre Eiffel, que asemeja una escultura penetrable de Jesús Soto. Cada uno de los cordeles porta 60 detectores ópticos muy sensibles. El instrumento completo es un gigante helado diseñado para atrapar las sustancias más pequeñas y escurridizas conocidas en el Universo: los neutrinos.

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Representación del montaje experimental, del artículo: IceCube collaboration, Nature 484 (2012) 351-353, DOI: 10.1038/nature11068.

Los neutrinos son partículas elementales que constituyen la materia. Fueron propuestos teóricamente por Wolfang Pauli en 1931 para explicar una aparente violación de la conservación de la energía en decaimientos radiactivos. El nombre neutrino fue acuñado por Enrico Fermi y la primera evidencia experimental de su existencia fue reportada por Frederick Reines y Clyde Cowan en 1956. Vienen en 3 tipos o “sabores” conocidos: el electrónico, muónico y taónico y son muy livianos con respecto al resto de las partículas subatómicas. No tienen carga eléctrica, sólo participan en reacciones nucleares llamadas electrodébiles, donde intervienen fuerzas de muy corto alcance. Esto quiere decir que el neutrino tiene que estar fantásticamente cerca, a una distancia aproximada al radio del protón, de otras partículas para que éstas noten su presencia.

Los neutrinos se pueden generar en diferentes regiones del Universo y viajar por el espacio recorriendo distancias inconmensurables, incluso atravesar cientos de kilómetros de roca sólida o agua, sin interactuar con nada. A diferencia de los rayos cósmicos, los neutrinos no son desviados por campos magnéticos, precisamente por su naturaleza neutra, propiedad que facilita el reconocimiento de su fuente originaria. Estos atributos los hacen fundamentales en los estudios astronómicos y cosmológicos, pero a la vez muy difíciles de atrapar: son prácticamente invisibles. Es por esto que los telescopios de neutrinos son asombrosamente grandes, y están enterrados bajo kilómetros de roca o agua, así se mejoran las probabilidades de detección.

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La imagen representa a un evento particular, los puntos blancos son los instrumentos ópticos. Los puntos coloreados indican que una partícula ha sido detectada. Crédito: IceCube.

Los científicos del Observatorio IceCube son verdaderos héroes de la Antártida, que trabajan infatigables en condiciones extremas cazando neutrinos provenientes del espacio exterior. Su objetivo es identificar y estudiar sus fuentes. Efectivamente, en el 2013 publicaron su primer hallazgo de captura de neutrinos que se han originado claramente en regiones que están fuera del sistema solar.

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Laboratorio IceCube, Estación Amundsen-Scott, Polo Sur, Antártida. Crédito: IceCube, Universidad de Wisconsin-Madison, EEUU.

Entre muchos de los misterios que rodean al estudio de estos corpúsculos esquivos, tenemos que los tres sabores conocidos se transmutan unos en otros durante su travesía por el espacio. Descubrimiento que le valió el Nobel el año pasado a Arthur McDonald de la Queen’s University en Kingston, Canadá, y a Takaaki Kajita de la Universidad de Tokio.

Durante varias décadas, datos obtenidos por diferentes observatorios parecían indicar el hallazgo de un nuevo sabor de neutrino, que llamaron: Estéril. El 8 de Agosto los astrofísicos de IceCube presentaron un análisis exhaustivo de sus observaciones que agota toda posibilidad de existencia de dicho neutrino. Un resultado no menos interesante entre los avatares propios de los avances científicos.

El telescopio IceCube también es pieza clave en el estudio de nueva física y caracterización de candidatos a materia oscura. No cabe duda que presenciamos los albores de un nuevo género de astronomía, crucial en el entendimiento de los procesos que ocurren en el Universo, e incluso sobre su origen.

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CC BY-NC 4.0 This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

3 Replies to “El cielo profundo en las entrañas de la Antártida”

  1. Hola Carolina, los neutrinos son partículas que interactúan a través de la fuerza electrodébil con los núcleos de Oxígeno e Hidrógeno en el agua del hielo. Sí, ¡el mismo hielo es parte importante del detector! cuando ocurre esta interacción, se producen tres tipos de leptones, de acuerdo con el neutrino que inicia la reacción, estos son o bien un electrón, un muón y o un taón. Estos leptones salen disparados a velocidades mayores que la de la luz en el agua y esto produce una onda electromagnética de choque conocida como “efecto cherenkov”, que es lo que los detectores que penden de los hilos finalmente observan. Estos tres leptones se diferencian por sus masas, por ejemplo, el muón es 200 veces más masivo que el electrón, por lo tanto lleva mucha más energía y penetra más en el hielo. También producen otras reacciones,el muón y el taón producen cascadas de otras reacciones en su trayectoria por el hielo. Así es como se intenta divisar la diferencia entre ellos.

  2. Me atrevo a expandir la respuesta a Carolina. Como dice Browniana, cuando un neutrino interacciona se puede producir un electron, muon o taon (ademas hay interacciones donde no se produce ninguno de estos, y en estos casos no se pueden diferenciar los sabores). Las sabores se pueden diferenciar si podemos diferenciar los electrones, muones y taones resultantes. Cada experimento es distinto. Lo que describo ahora es como se hace en IceCube.

    Los electrones interaccionan en distancias cortas, produciendo una cascada que se extingue en pocos metros, de modo que lo que se ve es una esfera de luz que se expande a partir de un foco, como la de la foto de arriba.

    Las particulas penetrantes emiten luz a lo largo de su trayectoria. El resultado es como un foco de luz que se mueve en linea recta (como el evento simulado en este video: https://www.youtube.com/watch?v=3PZgfPHULHw).

    Tanto el taon como el muon son penetrantes (como dice Browniana), pero un taon se diferencia de un muon en que el taon decae pronto. Al decaer, se producen particulas que causan una cascada que se extingue en pocos metros (como la del electron), de modo que se ve una trayectoria con un foco al final. Este tipo de eventos son dificiles de identificar en IceCube. Aun no se han identificado.

    La cosa es un poco mas complicada que lo que dije, pero por ahi va la cosa.

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