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El instrumento IceCube podría estar a punto de 'cazar' los primeros neutrinos cósmicos

IceCube es probablemente el experimento en marcha que combina más superlativos: uno de los más fríos, de los más grandes, de los más complejos de construir, de los más remotos, de los que más componente de aventura tienen, de los más audaces...


FUENTE | Fundación BBVA
31/10/2012
 
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Es también uno de los más capacitados para resolver algunos de los principales misterios de la ciencia actual, como qué es la materia oscura. Su investigador principal, el físico estadounidense Francis Halzen, explica en la sede de la Fundación BBVA en Madrid los primeros resultados de IceCube. “Es un momento emocionante”, dice.

IceCube es la trampa de neutrinos más sensible jamás construida. Es la primera lo bastante grande como para cazar neutrinos cósmicos de muy alta energía, procedentes de objetos y fenómenos muy lejanos. La detección de estas partículas, predicha desde hace décadas, significaría una revolución en la física y en la astronomía, de ahí la expectación.

Halzen pronuncia la conferencia IceCube, un observatorio de neutrinos en el Polo Sur, dentro del ciclo La ciencia del cosmos, la ciencia en el cosmos.

“Tenemos indicios muy tentadores sobre [la detección de] dos candidatos a neutrinos cósmicos, y estamos en mitad de un análisis para sacar más información de los datos y convertir esto en un descubrimiento. Aún no lo hemos conseguido pero estamos progresando”, explica Halzen, director del Instituto para la Investigación en Física de Partículas Elementales de la Universidad de Wisconsin (Madison, EEUU), y autor de la idea de construir un detector de neutrinos en el hielo.

El equipo de IceCube presentó estos indicios el pasado julio en una de las grandes conferencias internacionales del área (Neutrino 2012), celebrada en Kioto (Japón). Para confirmar el hallazgo deben acumular datos suficientes para llegar a lo que los físicos llaman 'evidencia de 5 sigmas', una medida del grado de certeza de los resultados.

A LA CAZA DE LAS PARTÍCULAS FANTASMA

Además de la trampa de neutrinos más grande, IceCube es la más inaccesible. Está en el Polo Sur geográfico, y a pesar de su enorme tamaño es en su mayoría invisible: ocupa un kilómetro cúbico pero está a hasta 2.500 metros de profundidad, enterrada y sellada bajo el hielo. No hay forma alguna de acceder a los detectores. Su construcción, con un coste de más de 270 millones de dólares aportados sobre todo por Estados Unidos -aunque el proyecto cuenta con otros diez países socios-, se completó hace sólo año y medio.

Los neutrinos son partículas fantasma que apenas interactúan con la materia. Miles de millones de ellos atraviesan cualquier cosa -la Tierra, a nosotros- casi sin dejar huella y constantemente. Para detectarlos la clave está en el casi: muy de vez en cuando un neutrino choca con un núcleo atómico, con consecuencias que sí son detectables. En eso se basa IceCube. “IceCube detecta los flashes de luz azul en el hielo emitidos por la reacción nuclear que desencadena la colisión de un neutrino con un átomo”, explica Halzen.

Como estos choques son muy raros, cuanto mayor sea la trampa de neutrinos más posibilidades habrá de registrar alguno. IceCube consiste en más de 5.000 sensores de luz del tamaño de una pelota de baloncesto enhebrados en 87 cables, como las cuentas de un collar; los cables han sido introducidos en un hielo ultra-transparente, sin impurezas ni burbujas que alteren la trayectoria de la luz -algo difícil de encontrar en la naturaleza si no es en la Antártida-. Se forma así una extensa matriz de detectores, que como todos los telescopios de neutrinos debe estar enterrada para evitar el ruido de otras fuentes de radiación en la superficie.

UN TELESCOPIO ESPECIAL PARA UNA ASTRONOMÍA NUEVA

IceCube detecta unos 100.000 neutrinos al año. Pero para los 250 científicos que participan en el instrumento el reto está en filtrar, de entre todos ellos, los neutrinos cósmicos de muy alta energía, procedentes de objetos astronómicos muy lejanos. A pesar de que su existencia fue predicha hace décadas aún no se ha detectado ninguno: no había instrumentos capaces de hacerlo. IceCube es el primero.

Los neutrinos registrados hasta ahora en los detectores en funcionamiento vienen de fuentes terrestres, como aceleradores de partículas; de nuestra propia atmósfera; del Sol; o de una estrella que estalló como supernova en 1987, en una galaxia muy próxima a la nuestra. Todos tienen menos energía que los neutrinos que espera detectar IceCube, que deben venir de mucho más lejos.

“Los neutrinos de muy alta energía son los mensajeros cósmicos de los procesos más violentos del universo, como los agujeros negros gigantes que devoran estrellas en el núcleo de las galaxias activas o las explosiones de rayos gamma, las mayores de que tenemos constancia en el universo desde el Big Bang”, explica Halzen.

Por eso en realidad IceCube es un telescopio, un telescopio pionero que espera estrenar una nueva forma de estudiar el universo viendo neutrinos en vez de luz. Los neutrinos dan un tipo de información que las partículas de luz no pueden proporcionar, y que en parte ni siquiera se puede prever: “La historia demuestra que cada vez que se abre una nueva ventana astronómica se producen hallazgos inesperados. IceCube es un instrumento de descubrimiento, con él esperamos sorpresas”, señala Halzen.

UN RESULTADO NEGATIVO E “INESPERADO”

Uno de los primeros resultados de IceCube, publicado el pasado abril en la revista Nature, tiene que ver con las explosiones de rayos gamma, tan potentes que durante unos segundos brillan más que cualquier otro objeto en el universo a pesar de estar a miles de millones de años luz de distancia. Durante los últimos 15 años los astrónomos han construido la hipótesis de que estas explosiones eran uno de los posibles orígenes de los rayos cósmicos, las partículas con carga eléctrica más energéticas que llegan a la Tierra -los neutrinos no tienen carga-. Pero IceCube parece descartar esta teoría.

Se sabe que los rayos cósmicos súperenergéticos producen neutrinos de muy alta energía al chocar con la materia o la radiación circundantes, así que si las explosiones de rayos gamma generan rayos cósmicos, IceCube debería detectar neutrinos -también cósmicos, muy energéticos- en coincidencia con estas explosiones. IceCube buscó en sus registros neutrinos coincidentes con 300 explosiones de rayos gamma ocurridas entre mayo de 2008 y abril de 2010, pero sorprendentemente no encontró ninguno.

Es un resultado que los físicos han calificado de “inesperado”. No porque duden del funcionamiento correcto de IceCube, sino porque pone en dificultades a la teoría que relaciona rayos cósmicos con explosiones de rayos gamma.

Otras sorpresas podrían provenir de la búsqueda de la naturaleza de la materia oscura. El universo está compuesto por este tipo de materia en algo más de un 20%, pero nadie sabe qué es. En las distintas teorías que se barajan los neutrinos juegan un papel importante. “Para algunos modelos de materia oscura IceCube es, con mucho, el detector más sensible”, dice Halzen. “Aún no hemos detectado nada, pero hemos puesto límites al tipo de interacción entre la materia oscura y la materia ordinaria, la que conocemos”.

Pero el posible resultado de IceCube que levanta más expectación por ahora es la posibilidad de que el telescopio haya detectado sus primeros dos neutrinos cósmicos.

DESCONGELAR 2.5 KILÓMETROS DE HIELO

Halzen ha contado, con humor, que cuando propuso hacer un detector de neutrinos de un kilómetro cúbico oculto bajo el hielo antártico “todos pensaron que estaba loco”.

Construir IceCube no ha sido fácil. “Los desafíos han sido diversos: diseñar y operar el taladro para el hielo, averiguar cómo se propaga la luz en el hielo profundo... Taladrar el hielo, descongelándolo, ha sido probablemente lo más difícil, hasta el punto de que llegué a pensar que habíamos dado con el talón de Aquiles del proyecto. Finalmente, un equipo de ingenieros con mucho talento y de doctorandos muy inteligentes logró desarrollar la tecnología para congelar detectores en el hielo a 2.5 kilómetros de profundidad en dos días”.

Una vez en su sitio los sensores son totalmente inaccesibles. Su señal es enviada al cercano laboratorio de IceCube, donde un reducido equipo de científicos se ocupa de resolver imprevistos con el software o la electrónica. “Los ordenadores filtran cada día unos 100 gigabytes de información sobre eventos de neutrinos”, explica Halzen. “Los datos se transmiten vía satélite hasta Madison, donde se procesan y envían a los miembros de IceCube”.

El invierno antártico impone sus condiciones al equipo de IceCube. Las temperaturas son tan bajas en el Polo Sur que los aviones no pueden aterrizar, lo que significa que quienes se quedan “están aislados del mundo entre febrero y octubre”, cuenta Halzen. “Pasar el invierno en la Antártida no es cualquier cosa”. Uno de los sólo dos científicos que han cuidado de IceCube este invierno que está a punto de concluir es el español Carlos Pobes, de la Universidad de Zaragoza.

España, sin embargo, no participa en IceCube como socio. Sí lo hace en otro detector de neutrinos más pequeño, Antares, instalado a 2.475 metros de profundidad en el Mar Mediterráneo a unos 40 km de la costa en el sur de Francia. España también participa en otro telescopio submarino de neutrinos, Km3Net, mayor que Antares y cuya construcción empezará en 2013.

HALZEN NUNCA HA ESTADO ALLÍ

Francis Halzen nunca ha pisado la Antártida: las plazas, dice, son “demasiado valiosas” y deben ser ocupadas por quien sepa resolver los problemas prácticos. No es el caso de Halzen, que ha sido descrito como “un físico de partículas teórico al que se le ocurrió la idea de un buen experimento”.

“Es cierto que yo nunca planeé esto [dirigir un experimento], pero he disfrutado cada minuto de estos veinte años de esfuerzo”, dice. “En ocasiones no me hubiera importado que hubiera sido un poco menos emocionante...”.

Halzen es director del Instituto de Investigación en Física de Partículas Elementales en la Universidad de Wisconsin-Madison. Es autor de más de 600 publicaciones científicas en la interfaz de la física de partículas, la astrofísica y la cosmología. Desde 1987 trabaja en el experimento AMANDA, predecesor de IceCube.

Halzen está considerado además un gran pedagogo y divulgador científico. Su libro sobre física de partículas es ya un clásico para estudiantes de física en todo el mundo. Su ensayo Antarctic Dreams (Sueños antárticos), publicado en 1999, le valió el premio al mejor texto americano de divulgación científica del año 2000.

Ha obtenido numerosos galardones y reconocimientos, entre ellos el Premio de Investigación Helmholtz-Humboldt (Alemania, 2007). Es miembro electo de la Sociedad Americana de Física desde 1995.

CICLO LA CIENCIA DEL COSMOS, LA CIENCIA EN EL COSMOS

La conferencia de Halzen forma parte del ciclo La ciencia del cosmos, la ciencia en el cosmos, que aborda los avances en las cuestiones más candentes de la investigación astrofísica de la mano de grandes. Inauguró la serie de conferencias el especialista en planetas extrasolares Didier Queloz, premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento, en la categoría de Ciencias Básicas 2010. También ha intervenido ya el cosmólogo Andrei Linde. Tras Halzen intervendrán Victoria Kaspi, catedrática de la McGill University (Canadá), experta en estrellas de neutrones y pulsares; el cosmólogo Rashid Sunyaev, del Instituto Max Planck, en Munich (Alemania); el premio Nobel 2011 Brian Schmidt; y Sir Martin Rees, especialista en los fenómenos más energéticos del cosmos.



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