Neutrinos de pesca en hielo

Ignorantes afortunados en el fondo de la Tierra

Un día de febrero de 2000, después de una larga perforación, Bruce Kochi y yo nos sentamos en la arena en el cráter de un volcán en la cima del Kilimanjaro a una altitud de 5600 m. Nos sentamos de espaldas contra nuestras mochilas y observamos la puesta de sol, mientras Kochi disfrutaba de los recuerdos de su carrera.

“No hago esto para ser un perforador. Odio los carros. Puedo ser uno de los pocos ingenieros en el mundo que los trata de esa manera. Los odio Los raros casos de ira que me ocurrieron se debieron a máquinas que no están haciendo lo que deberían hacer ".

“Hago esto por experiencia. Hice kayak, luego dejé una buena compañía aeroespacial y decidí hacer ecología, y luego regresé a la ingeniería a través de la glaciología , comenzando en Minnesota. Siempre voy a algún lugar solo por el lugar en sí, pero no por la perforación. Haré todo lo posible para que la perforación salga bien, porque significa que puedo ir a otro buen lugar ".


Laboratorio IceCube en la estación antártica Amundsen-Scott. Este es un detector de partículas que busca neutrinos que emanan de las fuentes astrofísicas más brillantes: estrellas explosivas, explosiones de rayos gamma, cataclismos que involucran agujeros negros y estrellas de neutrones. Ante él había un detector AMANDA .

No obtuvo un título científico en glaciología y, como recuerda, "se estaba quedando sin tiempo muy rápido cuando de repente me llamaron y me dijeron que la Universidad de Nebraska-Lincoln estaba buscando a una persona con un título en ingeniería que conozca la glaciología. Entonces los llamé, me contrataron por teléfono a mediados de octubre, y dos semanas después estaba sentado en un avión que volaba hacia la plataforma de hielo Ross .

La plataforma de hielo Ross flota en la superficie del mar cerca de la estación antártica McMurdo y proporciona una plataforma estable para el campo de aviación de la estación, Williams Field. Es la masa de hielo flotante más grande del planeta, comparable en tamaño a Francia. Por primera vez, Bruce estuvo allí en el verano antártico de 1977-1978.

La Universidad de Nebraska-Lincoln recibió un contrato de la National Science Foundation para perforar un pozo a través de 60 m de plataforma de hielo para que un grupo de científicos pudiera estudiar el océano escondido debajo de él. El chorro de llama utilizado en la industria minera para cortar piedra cristalina sirvió como taladro . Consistía en dos compresores que pesaban 4.5 toneladas cada uno, suministrando aire a una presión de 70 atmósferas a un motor a reacción modificado, de hecho, un quemador Bunsen gigante, bajado a un pozo con agua turbia, llamas y combustible diesel no quemado.

"Bueno", dijo Bruce, "ella retumba terriblemente". Mucho ruido, mucho humo, mucha suciedad. Pero ella perforó la plataforma de hielo bastante rápido. Resultó un agujero de unos 45 cm de diámetro, de modo que los científicos pudieron bajar sus artilugios allí y realizar sus experimentos ".

Durante la siguiente década, ayudó al glaciólogo Charlie Bentley de la Universidad de Wisconsin Madison a perforar muchos agujeros pequeños con barrenador de agua caliente, en general, una manguera de jardín gigante, en varias partes de la Antártida para que Bentley pudiera arrojar dinamita en los agujeros y participar en experimentos sísmicos. Echó un vistazo al complejo arte de la perforación de núcleos de hielo , en el que una tubería de perforación hueca con paredes internas lisas, tallas en el exterior y dientes afilados debajo se sumerge periódicamente en hielo para cortar segmentos y levantarlos un metro a la vez. Perforó núcleos de hielo en Groenlandia y en muchos lugares de la Antártida, incluido el poste, y también encontró tiempo para la invención de la perforación de núcleos de hielo a gran altitud.

En la primavera de 1990, Bruce se convirtió en uno de los mejores especialistas. Participó en tres docenas de expediciones de perforación y fue el mejor especialista práctico en la perforación de hielo en todas sus formas en el planeta. Cuando John Kelly, director del Departamento de Núcleo de Hielo Polar de EE. UU., Se acercó a Bruce y le preguntó si sería interesante ayudar a un grupo de físicos a perforar algunos pozos en Groenlandia para explorar las posibilidades de construir un telescopio de neutrinos en el Polo Sur, aprovechó esta oportunidad. "¡Por supuesto!" - recuerda sus palabras. “¡Este es el proyecto más interesante del que he oído hablar! Si es necesario, no dormiré y trabajaré de noche ".

En agosto de 1990, Bob Morse, físico de la Universidad de Wisconsin, y Tom Miller, graduado de la Universidad de California en Berkeley, fueron a Groenlandia para pasar el primer hielo pescando muones. Sus artes de pesca consistían en tres multiplicadores fotoelectrónicos obtenidos por Morse.


Un sensor bajó a un pozo en hielo

Bruce preparó el pozo que perforó el verano pasado. Dado que los pozos en hielo se derrumbaron debido a la presión del hielo, lo perforó a una profundidad de 217 metros. Los físicos bajaron su línea de pesca allí, y llevaron a cabo la primera parte de las mediciones. Luego decidieron que querían aumentar la conexión óptica entre los fotomultiplicadores y el hielo, y preguntaron si los perforadores tenían algún líquido que pudiera verterse en el pozo. Los fluidos no congelados son escasos en Groenlandia Heights, pero tienen enormes reservas de acetato de butilo que se utilizan para evitar el colapso del pozo. Lo vertieron adentro para que fuera suficiente para cubrir la línea de pesca, y llevaron a cabo mediciones repetidas.

"No sé por qué nos parecía que necesitábamos sacar el hilo de pescar", dice Bob, "pero lo sacamos, y de repente vimos este moco azul espeso que cubría todo. El acetato de butilo disolvió la vaina de los cables y pintó toda la nieve y el líquido cercano en un hermoso color azul violáceo. Nos preguntamos si tendríamos al menos algo de luz que lo atravesara. Fotografiamos los fotomultiplicadores antes de bajar, y luego después de bajar, y en la segunda foto parece un gran hielo de uva. El líquido azul estaba en mis guantes, en la ropa, en mi cara. Era un tinte que se usaba para el cable. La electricidad funcionaba, pero ópticamente no estábamos seguros de lo que habíamos hecho ”.

Equipo joven del proyecto AMANDA (Conjunto de detectores de muones y neutrinos antárticos) [Conjunto antártico de detectores de neones y muones], que incluyó a Tim Miller, Buford Price, Andrew Westphal, Steve Barwick, Francis Halzen y Bob Morse [Doug Lowder, Tim Miller, Buford Price , Andrew Westphal, Steve Barwick, Francis Halzen, Bob Morse], enviaron una carta a la revista Nature publicada en septiembre de ese año. Francis cree que esta "carta lanzó un experimento", demostrando que la idea de usar hielo polar como detector de neutrinos "todavía era una locura, pero no demasiado".

La carta dice que "el pozo estaba lleno de acetato de butilo, un fluido orgánico elegido debido a la baja temperatura de congelación y la claridad óptica". No se menciona moco azul. "Encontramos los resultados inspiradores y planeamos realizar experimentos más profundos en el Polo Sur en el próximo verano del sur".

Es con tales obstáculos y deficiencias que llevan a cabo experimentos científicos. Como escribió Bob Morse:

Groenlandia es un gran ejemplo de un experimento inventado a toda prisa para no perder la oportunidad. Se cometieron errores y se obtuvieron datos imperfectos, que todavía eran útiles, cómo el fracaso puede ser útil con el enfoque correcto. Este es un pequeño experimento que precedió al proyecto AMANDA, tenía todas las características de los proyectos AMANDA y IceCube creados más tarde. Los éxitos posteriores se obtuvieron solo gracias a la depuración de los sistemas para colocar y recibir datos, pero esta tarea no fue trivial. Un raro ejemplo de cómo las organizaciones que financiaron el experimento confían en los datos (aunque imperfectos) más que muchos experimentadores.

Francis agrega que "está claro que no teníamos idea de lo que estábamos haciendo, así que este fue un estudio real, ¿verdad?"

Sospechaba que "muchas personas tenían una idea similar, pero conocían la glaciología mejor que yo, y obviamente decidieron que no funcionaría". Si realmente entendiéramos lo que estábamos haciendo, probablemente no lo habríamos hecho en absoluto. Y resultó que muchas cosas que deberíamos haber sabido resultaron estar equivocadas ”.


Instalación de calefacción de 5 MW en la plataforma IceCube. El agua caliente corre a través de las mangueras, desde el sistema de calefacción hasta donde se está perforando el hielo. La manguera utilizada para perforar tiene casi 3 km de largo y se enrolla alrededor de un carrete grande en el centro.

En las conferencias que da hoy a jóvenes científicos, a veces usa los primeros días del proyecto AMANDA como un ejemplo de aforismo: “No leas libros, haz negocios. Es mejor ser un tipo con suerte ignorante ". Los descubrimientos originales suelen ser realizados por jóvenes que no están familiarizados con el conocimiento generalmente aceptado. Él cree que fue capaz de hacer algo original a su edad más allá de los 40 años solo porque se sintió "joven otra vez", en el sentido de ingenuidad. "Solo cuando todavía eres ignorante y no has leído todos los libros, puedes hacer algo original y nuevo".

Entró en el mundo de los experimentos, no controlado por la lógica clara de la teoría. En los experimentos, uno no solo tiene que tener en cuenta muchos puntos prácticos y estratégicos, a veces es mejor dejar de pensar por un momento y simplemente hacer algo.

Si leyera un libro de texto autorizado sobre la óptica del hielo y el agua, "aprendería" que la longitud de absorción de la luz azul en el hielo puro, la distancia a la que se absorben aproximadamente dos tercios de la luz, es de aproximadamente 8 metros. Y entonces todo terminaría. Devolverían los fotomultiplicadores y se irían a casa. Si la radiación de Cherenkov realmente se absorbiera a una distancia tan corta, se necesitarían alrededor de 2 millones de fotomultiplicadores para llenar un kilómetro cúbico de hielo, y solo les tomaría alrededor de $ 6 mil millones. Afortunadamente, el libro estaba muy equivocado. Obtuvieron un valor aproximado de 18 metros a partir de los datos de Groenlandia, y aunque esta cifra también era incorrecta, fue un paso en la dirección correcta.

Unos años más tarde, cuando todavía estaban tratando de entender el hielo, pero ya habían recibido señales de que la longitud de absorción era incluso más de 18 metros, la biblioteca de Madison entregó por error libros destinados a otra persona a la oficina de Francis. Naturalmente, comenzó a mirar a través de ellos, y cuando llegó a la información sobre la longitud de absorción de ocho metros, sintió un escalofrío en su espalda.

En la primavera meridional de 1991, Bob Morse, Bruce Kochi, Steve Barwick y Tim Miller viajaron hacia el sur para realizar la primera perforación de AMANDA. El experimento PICO, en busca de evidencia directa de la existencia de materia oscura, también envió un equipo de perforación en la misión, que incluía a Bill Barber, un británico alto, bondadoso, imperturbable e increíblemente fuerte.

Querían usar una manguera con una boquilla al final para rociar agua caliente en una corriente paralela, después de lo cual la boquilla simplemente debería sumergirse en el hielo derretido bajo la influencia de la gravedad. Cuando se perfora con agua caliente, se necesita mucha agua muy caliente a alta presión y una manguera de gran diámetro con buen aislamiento térmico de las paredes para que el agua permanezca caliente en el camino y transfiera la mayor cantidad de calor posible a través de la boquilla al hielo. Es cierto que es necesario mantener un equilibrio y dejar escapar algo de calor a través de las paredes laterales para que el agua no se congele en la parte superior del pozo. Un día, Bruce señaló que no hay telescopios de neutrinos demasiado grandes y que "no hay taladros demasiado grandes con agua caliente, porque el mejor taladro es uno que perfora un pozo al instante". Esto, por supuesto, es un ejercicio imaginario, que proporciona una cantidad ilimitada de calor casi al instante, pero transmite la esencia: necesita mucho calor y una gran manguera.

Bruce sabía que su instalación, llamada Bucky-1, tenía serias limitaciones en ambos aspectos. El diámetro de la manguera era de solo 2.5 cm, y la estación de calentamiento, que contenía varias calderas en la calle directamente sobre el hielo, producía solo 0.5 MW de energía. El primer taladro de agua caliente que utilizó en el estante Ross utilizó una estación de 2 MW. "Sabíamos que Bucky-1 tenía limitaciones, pero cuáles no sabíamos con certeza, ya que era la primera vez que alguien intentaba perforar hielo tan frío y profundo". Calculó que cuando pasan 1000 m, el calor que sale debido a pérdidas a lo largo de la manguera excederá la potencia generada por la estación. En otras palabras, la parte inferior de la manguera puede congelarse. Podía jugar diferentes juegos, tratando de evitar que se congele, por ejemplo, subiendo y bajando constantemente para calentar agua en el hoyo que acaba de hacer, pero esto requeriría combustible adicional, y de hecho sería bastante difícil de hacer.

"Perforar agua caliente no es para los débiles", dice. "Estamos tratando de mantener una temperatura de al menos 50 grados, y esto no siempre es agradable".

El equipo del proyecto AMANDA atrajo a todos con sus bañeras, en las cuales el agua se calentó para la perforación. Hasta que la fundación científica detuvo este negocio, tenían fiestas en jacuzzis en el sitio de perforación. Y es bueno que se divirtieran, porque la perforación en sí fue regular.

En el segundo pozo, eran codiciosos e intentaron caer por debajo de 1000 m. Esto condujo al peor resultado que se puede esperar de la perforación en caliente.

"Bucky-1 estaba atrapado con nosotros", recordó Bob más tarde. "Él todavía está allí".

"Sí, como una etiqueta de radar", dijo Bruce.

Bob estaba durmiendo en la tienda del Ártico de Jamesweiss cuando un perforador de PICO, Dave Kestor, asomó la cabeza por la cortina y susurró que tenía malas noticias. Dado que uno de los tres turnos en el campamento trata constantemente de conciliar el sueño, el silencio se mantiene constantemente en el "campamento de verano".

“¿Qué haremos? - preguntó Dave "¿Para bajar nuestras herramientas allí o no?"

"Dios mío, no sé", respondió Bob. - Creo que lo hará. Ya hemos invertido mucho en este hoyo. Debemos hacer todo lo que podamos ".

Se levantó de la cama y fue en busca de Steve Barvik. "Yo digo:" Steve, ellos tienen un taladro atascado allí ". Steve se volvió loco y comenzó a gritar: no sabía dónde estaba Tem Miller, así que fue a mirar a cada tienda a las tres de la mañana y gritó con todas sus fuerzas: "¿Tim Miller? Tim Miller, ¿dónde diablos estás? ¿Dónde andas por ahí? ”. Y pensé que ahora un trabajador de dos metros se levantaría y golpearía a Steve. Pensé que tenía una gorra ".

PICO solo perforó dos turnos, cada uno de los cuales funcionó durante 12 horas, y el taladro se atascó en el turno nocturno. Bruce estaba en el día, y aunque todavía no dormía mucho mientras perforaba, caminaba a su lado, se mantenía actualizado, ni siquiera en su turno; solo estaba dormido cuando sucedió una molestia. Y no solo se quedaron atrapados en el taladro, sino que también detuvieron el flujo de agua en la manguera. Esta es probablemente la única situación con la perforación de agua caliente, de la que no hay salida.

"Cualquiera que haya perforado agua caliente al menos una vez en su vida cometió un error y careció de suficiente calor", dijo Bruce más tarde. Decidió que tuvieron la suerte de llegar a tal profundidad.

Intentaron sacarlo con una excavadora Caterpillar D7 .

Bob dijo: “Esta maldita manguera se tira como una cuerda de violín. Se encogió a la mitad de su diámetro. Solo Bill Barber tuvo el coraje de ir allí y pararse cuando la manguera sobresalía de este agujero, y luego tomar la sierra y cortarla. Y vimos cómo esta manguera desaparece en el agujero a la velocidad del sonido, y escuchamos un "fyuyuyuyuyu".

Y en tal situación, cuando el final del ejercicio y una parte bastante grande de la manguera desapareció en el pozo, siguieron el consejo del somnoliento Bob y bajaron el hilo de pescar con el equipo allí. Por alguna razón, la manguera estaba atascada, o el pozo resultó ser demasiado estrecho, solo fue 150 m. Luego comenzaron a preocuparse de que la luz de la superficie pudiera llegar a los detectores y bloquear cualquier señal de muón que pudieran recibir. Los fotomultiplicadores eran extremadamente sensibles; trabajaron a nivel de fotones individuales, es decir, pudieron detectar partículas individuales de luz.

"Miré a mi alrededor y dije:" Necesitamos tapar un agujero. ¿Por qué callarla? ”, Recuerda Bob. - Teníamos asbesto y bolsas de basura verdes. Los ecologistas habrían puesto ladrillos si se enteraran de esto: comencé a poner aislamiento de asbesto en las bolsas para que ganaran volumen, y los arrojé al agujero, tratando de hacer un tapón de la luz. Creo que arrojé tres o cuatro allí, tanto como lo había hecho ".

Física experimental, con todas las deficiencias y problemas.

Mark Bowen es escritor y físico. Ha escrito para las revistas Climbing, Natural History, Science, Technology Review, AMC Outdoors, y ha estado involucrado en proyectos AMANDA y IceCube desde 1998. Extracto de The Telescope in the Ice, 2017.