IceCube es uno de los experimentos más grandes del mundo. Consiste en un kilómetro cúbico (casi mil millones de toneladas) de hielo ubicado debajo de la superficie nevada del polo sur de nuestro planeta. Está diseñado para detectar neutrinos del espacio profundo que pueden chocar con algo dentro o en las inmediaciones de este bloque. En este artículo, hablaré un poco sobre cómo funciona.
Neutrinos esquivos
Para comprender la motivación de este experimento, sería bueno comenzar con una pequeña descripción de los neutrinos. Hay tres tipos de ellos, así como tres tipos de antineutrinos, pero por ahora, en lugar de discutir sus diferencias, concentrémonos en lo que tienen en común.
No escribiré "neutrino y antineutrino" cada vez. IceCube no distingue entre neutrinos y antineutrinos, por lo que, a menos que se indique lo contrario, los llamaré simplemente "neutrinos". Lo mismo es cierto para los muones, con lo que me referiré a muones y antimuones.
Lo principal que todos los neutrinos tienen en común (a diferencia de los electrones y positrones y quarks y antiquarks y fotones y la mayoría de las otras partículas conocidas) es que no se ven afectados por la interacción electromagnética o la interacción nuclear fuerte. Solo se ven afectados por una interacción nuclear débil. Pero es tan débil que los neutrinos pasan fácilmente a través de enormes volúmenes de materia ordinaria. Esto los distingue de electrones, fotones, protones, neutrones y otros hadrones. De hecho, billones de neutrinos pasan a través de su cuerpo cada segundo, este hecho nos fue conocido hace solo unas décadas. Dado que los intentos de todas las personas de detectar neutrinos (u otra cosa) se reducen a la construcción de un dispositivo que consiste en materia ordinaria, el hecho de que los neutrinos pasen a través de la materia ordinaria sin dejar rastros es bastante incómodo para cualquiera que quiera observarlos.
¡Piense en lo inconveniente que sería si los fotones pasaran directamente a través de nuestros detectores fotónicos (las cosas en la cara que llamamos "ojos") sin dejar rastro! Por supuesto, debido a esto, tenemos ojos para detectar fotones, pero no hay ojos para detectar neutrinos; tales ojos serían inútiles.
Pero aunque la parte de los neutrinos que logran chocar contra algo mientras atraviesan la materia es muy pequeña, no es igual a cero, por lo tanto, en principio, podemos detectarlos. Pero resulta que no tenemos otra opción que:
• obtener una pieza grande de material que detenga el neutrino;
• colocar herramientas científicas alrededor y dentro de él;
• espera.
Los científicos tienen que desempeñar el papel de una araña paciente con una red muy grande, o un pescador silencioso con una red enorme, y esperar a que un neutrino raro que vuela sin desarmar las carreteras, quede atrapado de repente.
Y luego IceCube entra en juego.
IceCube: mil millones de toneladas de hielo
IceCube es ciencia ficción que se ha hecho realidad. Este es un cubito de hielo gigante: puro, sin burbujas y casi perfectamente transparente. En nuestro planeta, tales volúmenes gigantescos de hielo ideal solo se pueden encontrar en las llanuras cercanas al polo sur, muy por debajo de la superficie. Y los científicos royeron este hielo durante dos kilómetros y medio, sin usar nada más astuto que el agua caliente. Como se muestra en la fig. 1, en cada hoyo (medio metro de ancho), los científicos arreglaron una cuerda larga, cuyo kilómetro inferior está tachonado con sesenta fotocélulas espaciadas de manera uniforme, capaces de detectar los destellos de luz más pequeños. Abajo, a una profundidad de mil metros en hielo, está muy oscuro. La luz de la superficie de la tierra no penetra a tal profundidad. Entonces, todo lo que una fotocélula puede detectar en la oscuridad total debería ser algo especial.
Fig. 1¿Qué fuente de luz puede aparecer dentro de un bloque sin vida de hielo puro? La única fuente es la física de partículas. Cuando una partícula elemental que transporta mucha energía penetra el IceCube y golpea el núcleo de un átomo en el hielo, crea una cascada de partículas que se mueven a casi la velocidad de la luz c, más lenta que la luz en el vacío, pero más rápida que la luz en el hielo. Las partículas cargadas eléctricamente que se mueven más rápido que la velocidad de la luz en un material emiten un cono de luz opaco, radiación de Cherenkov (la esencia aquí es casi la misma que la de un avión supersónico que emite un estallido fuerte). Aunque esta luz es tenue, puede pasar muchos metros de hielo y puede detectarse mediante fotocélulas. Y cómo esta luz se puede decir a los científicos:
• aproximadamente cuánta energía se le dio al hielo, dada la estimación aproximada de la energía transferida por la partícula;
• ¿De dónde vino la partícula?
• información sobre el tipo de partícula que colisiona con el núcleo y el tipo de colisión.
Esto se muestra en la fig. 2, donde dos neutrinos vuelan desde el cielo, uno de los cuales genera una cascada de partículas en las que no se forma un muón de alta energía, y el otro genera una cascada en la que se forma un muón de alta energía. Esto último puede suceder cuando un neutrino volador es un neutrino muón, que puede convertir una interacción débil durante una colisión en un muón. Lo mismo se muestra en la fig. 3 para los neutrinos que llegan desde el otro lado de la Tierra que, desde el punto de vista del IceCube, vuelan fuera de la tierra.
Fig. 2El único tipo de partículas que pueden atravesar un kilómetro de hielo o incluso una gran parte de la Tierra son los neutrinos y los muones. Por lo tanto, para detectar un neutrino IceCube, solo necesita asegurarse de que pueda distinguir su efecto de los efectos de los muones. Parcialmente este proceso se muestra en la fig. 6, donde se puede ver que el muón entrante da luz a la entrada del IceCube, pero el neutrino no.
Ese es todo el IceCube. Pues casi. También debemos mencionar varias fotocélulas ubicadas en la superficie del hielo en el grupo IceTop. Su propósito quedará claro cuando lleguemos a la fig. 7. Y, sin embargo, en comparación con los detectores del Gran Colisionador de Hadrones, mucho más pequeño que el IceCube, es un detector muy simple.
Fig. 3La tecnología utilizada en IceCube se probó en un trozo de hielo diez veces más pequeño en el experimento AMANDA. La misma idea (usando radiación de Cherenkov debido a colisiones de neutrinos con materia) se usó en grandes tanques con agua en lugar de hielo. Pero comprende que un tanque de agua del tamaño de un IceCube no es fácil de organizar. La única forma de obtener tanta agua es usar el océano, esto es lo que hace el experimento ANTARES al colocar instrumentos en cuerdas a grandes profundidades [
de hecho, no, todavía hay un lago tan único como el lago Baikal, en el que se basa el mismo detector agua: telescopio submarino de neutrinos Baikal // aprox. perev. ] Hay inconvenientes en el hielo: después de que las fotocélulas se colocan en agujeros con agua y se congelan, ya no se pueden obtener para reparar en caso de avería. Por otro lado, hay corrientes en el océano que sus sensores hablarán, así como muchas criaturas vivientes que emiten luz, lo que lo distraerá de lo que está tratando de ver. En cualquier caso, es bueno tener varios experimentos utilizando diferentes métodos para comparar los resultados y decidir en qué aspecto puede confiar.
Lo que IceCube ve y puede ver ahora
¿Qué procesos naturales dan lugar a neutrinos y antineutrinos que IceCube puede detectar? Puede detectar y medir neutrinos con energías superiores a 100 GeV, del orden de la energía de masa (E = mc
2 ) de una partícula de Higgs. ¿Qué son estos neutrinos?
Fig. 4 4Algunos neutrinos IceCube no detectará: los neutrinos de baja energía más comunes que emanan de la descomposición de núcleos atómicos inestables en una roca (un ejemplo de radioactividad), neutrinos que provienen del horno interno del Sol y neutrinos de explosiones de supernovas. Para estos neutrinos, las energías oscilan entre unas pocas milésimas y varias centésimas de GeV, muy por debajo del umbral requerido para una detección efectiva en IceCube.
El neutrino más común observado por IceCube es el atmosférico. En realidad, aparecen en la atmósfera de la tierra debido a los rayos cósmicos. Los rayos cósmicos son partículas de muy altas energías, generalmente protones, que chocan contra núcleos atómicos en la atmósfera superior y generan una cascada de hadrones (las llamadas partículas que consisten en quarks, antiquarks y gluones), así como fotones, electrones y positrones. A su vez, algunos de estos hadrones durante la descomposición pueden producir neutrinos. Estos neutrinos tienen una amplia gama de energías, y la cantidad de neutrinos disminuye rápidamente al aumentar la energía. Pueden venir de todas partes de la Tierra, como se muestra en la fig. 5. Los rayos cósmicos provienen de todas las direcciones y colisionan con la atmósfera de la Tierra en todos los lugares por encima de su superficie, por lo que pueden aparecer neutrinos, llegando al IceCube desde cualquier lugar de la superficie de la Tierra. Un hecho geométrico interesante: IceCube (y cualquier detector similar) recibe un número igual de neutrinos de todas las direcciones, aunque los que vinieron del subsuelo (es decir, en el caso de IceCube, del norte) pasan miles de kilómetros a través de la piedra, y esos que vino desde arriba, pasa a través de solo 1-2 kilómetros de hielo.
Fig. 5 5Medir los neutrinos que vienen de arriba es bastante problemático. Los neutrinos y los muones son muy comunes en las cascadas atmosféricas, pero es mucho más probable que un muón emita una señal en IceCube que los neutrinos, por lo que la mayor parte de lo que IceCube ve desde arriba se atribuye a los muones, no a los neutrinos. La mayoría de las veces, la señal pertenece claramente al muón, no al neutrino (Fig. 6), pero a veces sucede algo extraño, y no se detecta la luz que distingue al muón del neutrino. En este caso, IceCube producirá una medición de "falso neutrino", que en realidad era un muón. Y aunque esto es raro, se registran tantos muones que es necesario rastrear falsos neutrinos, especialmente para bajas energías.
Afortunadamente, la mayoría de los muones de los rayos cósmicos no llegan al hielo de un kilómetro y medio de espesor. Lo que es aún mejor, los muones que emergen de los rayos cósmicos más allá del horizonte del polo sur necesitan viajar cientos o miles de kilómetros a través de la Tierra para ingresar al IceCube, y fallan. Por lo tanto, aunque los muones son capaces de crear falsos neutrinos que bajan (hacia el centro de la tierra), no pueden crear falsos neutrinos que suben. Por lo tanto, las señales que suben son puras y casi siempre provienen de neutrinos reales.
Fig. 6: Los rayos cósmicos dan lugar a muones, algunos de los cuales se extienden al IceCube. Pero a diferencia de los neutrinos, los muones llevan radiación de Cherenkov con ellos. Y la mayoría de los muones no pueden atravesar el grosor de la Tierra y, por lo tanto, no pueden venir desde abajo.¿Qué pasa con el resto de los neutrinos? Aquellos que es probable que IceCube detecte, que son su objetivo principal, se llaman neutrinos astrofísicos. Que es esto Estamos bastante seguros, aunque no entendemos completamente esto, de que algo increíble está sucediendo en el espacio que da lugar a los rayos cósmicos de las energías más elevadas. Estos son protones y núcleos atómicos con energías que se acercan a un millón de millones de GeV, y probablemente superan este umbral (recuerde que el Gran Colisionador de Hadrones acelera los protones a energías de varios miles de GeV). Es casi imposible imaginar cómo podría haber ocurrido este proceso de aceleración si las colisiones de protones y otras materias no hubieran pasado en este acelerador de partículas naturales distante. Todas estas colisiones deberían crear neutrinos, con energías más bajas que las de los rayos cósmicos de ultra alta energía, pero aún más grandes de lo que observamos antes. No sabemos cuántos de estos neutrinos hay en el espacio, pero tenemos razones para creer que son suficientes para que podamos encontrarlos en IceCube. Quizás ya los hayamos encontrado.
El objetivo principal de IceCube es detectar neutrinos astrofísicos y ayudar a descubrir de dónde provienen. Para esto, es necesario no solo observar a los neutrinos, sino también buscar con la ayuda de telescopios ordinarios y exóticos, fotones (luz visible, ondas de radio, rayos gamma, ¡para cualquier cosa!) Que provienen del mismo lugar en el cielo y, quizás al mismo tiempo, o casi al mismo tiempo. Por ejemplo, si en algún lugar del espacio una explosión de gran fuerza crea fuertes campos magnéticos y eléctricos que pueden acelerar protones y electrones a energías extremas, diversas interacciones entre estos protones, electrones y el gas presente allí pueden producir fotones de alta energía y astrofísica de alta energía. neutrino Si tiene suerte, estos fotones se pueden detectar utilizando uno de los telescopios especiales aproximadamente al mismo tiempo y desde la misma dirección desde la cual IceCube detectará los neutrinos. (Sí, en cualquier momento existe la posibilidad de que solo detectemos un neutrino astrofísico). Esto no ha sucedido hasta ahora, para consternación de todos, pero IceCube ha estado funcionando no hace mucho tiempo.
En cualquier caso, el objetivo es que IceCube vea neutrinos astrofísicos, se convertirá para nosotros en el mismo telescopio que otros y nos permitirá observar, aunque con una visión tan borrosa de neutrinos, en qué lugares el cielo es "brillante" debido a los neutrinos de alta energía. Históricamente, cada vez que presentamos un nuevo telescopio, abrimos nuevos objetos en el cielo y aprendemos más sobre los objetos ya descubiertos. Por lo tanto, con IceCube, existe la esperanza de que pronto se convierta en un telescopio de neutrinos, rastreando no los rayos cósmicos que chocan contra la atmósfera, sino los objetos extremadamente energéticos ubicados en el espacio profundo.
Mira hacia abajo y hacia arriba
Los neutrinos atmosféricos nos llegan desde arriba, y con ellos vienen los muones, algunos de los cuales dan lugar a un falso efecto neutrino. Con un aumento de energía, su número disminuye; por lo tanto, se pueden observar sin interferencia los neutrinos astrofísicos de suficiente energía (con energías cercanas a un millón GeV). Pero los neutrinos astrofísicos con energías muy inferiores al millón de GeV se pierden en el mar de neutrinos atmosféricos. Afortunadamente, hay un enfoque en reducir la cantidad de neutrinos atmosféricos y muones atmosféricos que provienen de arriba, lo que permite que IceCube detecte neutrinos astrofísicos que vienen de arriba, con energías de hasta 10,000 GeV. Esta técnica se utilizó para obtener datos muy interesantes. Los dos neutrinos de alta energía en estos datos tenían tanta energía que apenas eran atmosféricos. Pero los 26 restantes (de los cuales solo se esperaban 10) se detectaron solo después de usar este enfoque.
Consiste en arrojar neutrinos hacia abajo, cuya naturaleza es casi seguramente atmosférica, y dejar solo neutrinos astrofísicos, algunos neutrinos atmosféricos y algunos falsos generados por muones atmosféricos. Esto no se puede hacer con una precisión del 100%, pero puede intentarlo, como se muestra en la Fig. 7. Los muones de la cascada de partículas cósmicas (Fig. 4) llegan a IceTop (Fig. 1) al mismo tiempo que los neutrinos llegan al IceCube, en el intervalo de hasta varios cientos de milésimas de segundo. En este caso, el neutrino es casi seguramente atmosférico. De lo contrario, probablemente no. Desechar los neutrinos atmosféricos es casi seguro que se reduce drásticamente, pero los científicos de IceCube dicen que todavía ven más neutrinos de lo que esperaban.
Fig. 7: Los neutrinos atmosféricos que llegan al detector generalmente van en compañía de muones que se mueven al mismo tiempo en la misma dirección. Algunos de los muones se pueden reparar en IceTop. Los neutrinos astrofísicos no tienen tales compañeros, por lo que IceTop no registrará nada al mismo tiempo.