IceCube: la gran mole en mitad de la Antártida que vigila el universo

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La humanidad lleva varias décadas recurriendo casi en su totalidad a la radiación electromagnética para conocer lo que hay más allá del sistema solar. Sin embargo, esto supone una gran limitación por la cantidad de obstáculos en el camino de la luz, quitándole energía e información. Una interesante alternativa son los neutrinos, partículas escurridizas de baja masa. Las cuales son aprovechadas por el telescopio IceCube para redescubrir el universo, capturando como primer paso una imagen de la Vía Láctea.

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Fotografía tomada en 2012 del Laboratorio IceCube en el Polo Sur geográfico.

La partícula fantasma

A inicios del siglo XX la física de partículas se enfrentaba a un enorme problema. Durante el proceso de decaimiento radiactivo de un neutrón se emitía un protón y un electrón, pero al comparar la energía y momento inicial y final existía una pequeña pero significativa diferencia. Este desfase iba en contra de uno de los principales pilares de la física, la conservación de la energía. En un intento por explicarlo, el físico Pauli propuso la existencia de una esquiva partícula sin masa, carga eléctrica y carga de color.

Fueron necesarios posteriores análisis para demostrar que, aunque la masa sea muy pequeña, es diferente de cero. Los llamados neutrinos tienen una muy baja interacción con la materia, pudiendo atravesar millones de kilómetros de plomo sin mayor problema.

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Primera detección de un neutrino en una cámara de nubes. Un neutrino proveniente de la parte inferior derecha impacta contra un potrón, originado tres partículas y sus respectivos caminos marcados. Créditos: Argonne National Laboratory.

En la Tierra las principales fuentes naturales de neutrinos son los elementos radiactivos, sin embargo, estos suelen ser de muy baja energía. Aquellos con mayor valor científico y utilidad provienen de los rayos cósmicos. Objetos astronómicos como estrellas, agujeros negros, supernovas o similares logran disparar partículas a enormes velocidades en todas las direcciones y una pequeña fracción de ellos alcanzan el planeta.

Más rápido que la luz

Los físicos de partículas determinan la presencia de ciertas partículas a partir de la relación entre la carga eléctrica y la masa. Sin embargo, este método es inútil para detectar neutrinos, dado que no poseen carga eléctrica y cuentan con una masa muy reducida. Es necesario emplear otras técnicas para conocer sus propiedades y características.

Detectarlos directamente resulta ser algo poco práctico con la tecnología actual, por el contrario, se buscan residuos de las pocas interacciones entre los neutrinos y la materia. Por ejemplo, al colisionar con una molécula de hielo se desprenden otras partículas cargadas más fáciles de detectar.

El efecto Cherenkov es un proceso por el cual las partículas emiten luz al viajar a una velocidad mayor a la de la luz en un medio. Eso es posible sin romper ningún principio de la relatividad gracias a la forma en que los átomos absorben y emiten fotones, provocando que estos se demoren más en recorrer una cierta distancia.

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Fotografía de un reactor nuclear de pruebas encendido. El brillo azul es producido por el efecto Cherenkov, proveniente de partículas emitidas durante procesos radiactivos. Créditos: Argonne National Laboratory.

Han aparecido numerosas propuestas de telescopios u observatorios a lo largo de las últimas décadas. En estas se desea aumentar las probabilidades de colisiones entre neutrinos y agua pura para realizar mediciones del efecto Cherenkov. Y al analizar varias detecciones y el tiempo relativo entre ellos es posible reconstruir la dirección y energía del evento.

IceCube: el mega observatorio de neutrinos

El observatorio Pierre Auger de Argentina cuenta con un extenso arreglo de tanques de agua ultrapura, cubriendo una superficie de 3 000 kilómetros cuadrados y una separación de 1.5 kilómetros entre cada uno. Sin embargo, esto supone una gran limitación en las direcciones y posibilidades de detección, una alternativa de mayor escala era necesaria.

AMANDA; siglas en inglés para arreglo antártico de detectores de muones y neutrinos, fue una primera demostración de concepto sobre el potencial de emplear el considerablemente limpio hielo de la Antártida para detectar neutrinos de alta energía. Aprovechando las formaciones naturales para crear un telescopio.

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Diagrama del tiempo (color) e intensidad (tamaño) de detección de los diferentes sensores en un evento asociado a un neutrino de muy alta energía el 7 de julio de 2023. Créditos: IceCube.

El observatorio IceCube es un colosal detector con un volumen de un kilómetro cúbico. Se encuentra en las cercanías a la estación Amundsen-Scott en el Polo Sur. Este se divide a su vez en dos partes, una superficial y otra subterránea.

Anatomía del telescopio

IceTop consiste en 81 estaciones con dos tanques cada una, con capacidad de detectar cascadas de partículas provenientes de rayos cósmicos con energías en el rango de 300 y 1 000 000 de teraelectronvoltios. Permite conocer la dirección de llegada y el flujo en el hemisferio sur. Cada tanque cuenta con dos módulos ópticos digitales, los cuales sirven como calibración para la parte subterránea.

El Detector IceCube consiste en una red hexagonal de 86 agujeros con líneas cubiertas de sensores ubicados entre los 1 450 y 2 450 metros de profundidad. En total cuenta con 5 160 módulos ópticos digitales, con la capacidad de detectar el destello de las partículas producidas por el efecto Cherenkov.

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Fotografía de uno de los Módulos Ópticos Digitales capaces de detectar eventos producidos por neutrinos. Créditos: IceCube.

Finalmente, DeepCore corresponde a ocho líneas del centro que cuentan con una menor separación entre ellas. Gracias a la mayor densidad es posible extender el límite inferior hasta los 10 gigaelectronvoltios, dando paso a investigaciones sobre la oscilación de neutrinos.

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Diagrama con las distintas partes del observatorio IceCube.

Toda la información es recolectada en el IceCube Lab, una instalación de procesamiento de datos que une las diferentes detecciones en patrones de luces. Estos son transmitidos mediante satélites a la Universidad de Wisconsin-Madison.

Reinventado la astronomía

La astronomía se ha basado en gran parte en explotar al máximo todo el espectro electromagnético, desde las microondas hasta los rayos Gamma. Sin embargo, las distintas longitudes de onda pueden ser bloqueadas por la atmósfera o algún obstáculo en su viaje, como puede ser el gas interestelar. Perdiendo valiosa información sobre algunos eventos.

El telescopio IceCube liberó al público en julio de 2023 increíbles imágenes de la Vía Láctea. Los investigadores reconstruyeron un mapa de la galaxia a partir de numerosas detecciones de neutrinos. No solo ofreciendo una nueva perspectiva, sino mostrando contrapartes a las previas observaciones en rayos X y Gama.

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Imagen compuesta de la Vía Láctea vista en luz visible y empleando neutrinos. Créditos: IceCube.

Las observaciones con neutrinos supondrían tener un universo transparente. Las grandes nubes de gas y polvo no serían ningún impedimento para saber lo que ocurre a millones de años de luz de la Tierra. Permitiendo crear mapas de la bóveda celeste con los objetos más energéticos. En algunos años, con mejoras en los detectores sería posible ir más allá del fondo cósmico de microondas y desvelar misterios sobre el origen del cosmos.

Francisco Andrés Forero Daza
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