Los neutrinos son cositas muy extrañas. Partículas diminutas y enigmáticas sin carga que existen en virtualmente cada rincón del universo, pero sin instrumentos de potente sensibilidad y muy sofisticados, los físicos no sabrían que existen. De hecho, cada segundo te atraviesan billones de neutrinos.
Desde la física se ingenian toda clase de formas de obligar a los neutrinos a entrar en el rango de detección. Pero el IceCube, que este año celebra su aniversario número 20, se destaca en particular por su configuración singular: 5.160 sensores digitales, adosados a un gigantesco glaciar antártico. Hace poco la Colaboración IceCube impuso los límites superiores más restringidos para una estadística clave de neutrinos de energía ultra elevada que a menudo se encuentran en los rayos cósmicos. También se programó para recibir actualizaciones tecnológicas importantes más adelante este año, con lo que el detector – que ya es uno de los más grandes experimentos en neutrinos sobre la Tierra – será más grande y potente que nunca.
IceCube y la búsqueda de los neutrinos más esquivos del universo
Gizmodo se puso en contacto con Carlos Argüelles-Delgado, astrofísico de la Universidad de Harvard y experto en neutrinos, que ha estado trabajando con IceCube desde 2011 cuando el experimento dio inicio a sus operaciones físicas en la Antártida. Hablamos sobre Argüelles-Delgado sobre por qué IceCube es hoy lo más destacado en este experimento que lleva ya 20 años y qué es lo que podemos esperar del próximo IceCube-Gen2. Resumimos la conversación en esta traducción al español:
G: Empecemos por lo obvio. ¿Por qué decidieron los físicos que la Antártida era un buen lugar para encontrar neutrinos?
AD: Tienes la combinación de dos problemas muy difíciles. Buscas algo muy raro que produce señales muy pequeñas y quieres un entorno muy controlado que pueda producir una señal importante en un trasfondo reducido. El proyecto IceCube – un tanto loco – se basa en la idea de un glaciar de 2,5 km de altura, uno de los medios más transparentes que existen en el planeta. Vamos a desplegar estos sensores de luz muy sensibles (módulos ópticos digitales) que pueden detectar partículas de luz conocidas como fotones. Tienes estos detectores cubriendo 1 kilómetro cúbico de espacio esencialmente oscuro. Cuando llega un neutrino del espacio exterior, podría interactuar con algo del hielo y producir luz, y eso es lo que se ve.
G: Resulta difícil entender lo que son los neutrinos, que suenan como algo inventado por los físicos pero también se mencionan en experimentos como IceCube, que busca neutrinos del espacio. ¿Por qué se siente que deben aparecer en cada área de la física?
AD: Buena pregunta. Los neutrinos aparecen en contextos muy diferentes, de la física de partículas a la cosmología o astrofísica, porque son partículas fundamentales que no pueden dividirse en partes más pequeñas, como los electrones. Usamos electrones en laboratorios y también para detectar fenómenos físicos.
Son especiales porque tenemos preguntas sobre su conducta y propiedades y sobre el universo en el régimen de más elevada energía donde observamos rayos cósmicos. Cuando intentas entender algo que tiene misterio, lo miras desde todos los ángulos.
G: ¿Qué es lo que aparta a IceCube de todos los otros detectores de neutrinos?
AD: Que es enorme. Un millón de veces más grande que cualquier otro experimento de neutrinos construido en laboratorio. La tasa de interacción depende de cuánto estés monitoreando, y a mayor volumen, más probabilidad tienes de ver algo. En el caso de los neutrinos de energía ultra elevada (que se originan en el espacio) tienes que pensar en entornos naturales como montañas, glaciares, lagos o paisajes que se convierten en experimentos.
G: No es fácil llegar a la Antártida. ¿Qué dificultades conllevan las condiciones de esta remota ubicación?
AD: La logística es muy complicada. Hay que enviar todos estos componentes, y saber que si pones algo en el hielo va a funcionar. Es como cuando pones algo en un satélite en una nave espacial. No hay probabilidades de reparación. Los requisitos de calidad son muy altos, y hay muchas dificultades, como perforar, que se hace con un taladro mecánico y luego se usa un taladro de agua caliente a alta presión que bombea agua para perforar el glaciar. También los cables presentan dificultades, ya que los de IceCube son especiales porque son el sostén de los instrumentos que digitalizan los módulos y necesitas la mejor señal para procesar señales.
G: ¿Qué actualizaciones habrá, y por qué?
AD: Son actualizaciones que permitirán entender mejor el glaciar donde está incrustado IceCube. Cuanto mejor lo entendamos, y a sus propiedades ópticas que son la forma en que viaja la luz en ese glaciar, más podremos trabajar con la física de los neutrinos. Instalaremos unas cámaras y fuentes de luz para poder monitorear mejor el glaciar. Además, pondremos nuevos sensores para la versión más grande de IceCube, llamada IceCube-Gen2. En ciencias quieres probar nuevas cosas pero también, medirlas. No vamos a poder ampliar el volumen de detectores, pero sí podremos sensores en la parte más interna del detector para poder medir mejor los neutrinos de baja energía. Los neutrinos, al viajar de un lado del planeta a otro, cambian su tipo, un fenómeno de la mecánica cuántica a escala microscópica, y el IceCube logra las mejores mediciones de esa física.
G: Has formado parte de IceCube desde el comienzo. ¿Cuáles piensas que son los aspectos más destacados en este experimento?
AD: Primero, descubrimos que en el universo hay neutrinos de ultra-alta energía. Son difíciles de detectar, pero no tan infrecuentes en términos de la densidad de energía del universo, o cuánta energía por unidad de volumen hay en el universo entre protones, neutrinos y luz. Hace pocos años vimos la primera foto de nuestra galaxia en neutrinos.
También, cuando los neutrinos viajan por el espacio, debido a efectos de la mecánica cuántica, pueden convertirse en neutrinos tau. Hemos hallado evidencia de diversos neutrinos tau en niveles de energía elevada. Lo asombroso es que solo pueden producirse y llegarnos si la mecánica cuántica opera a distancias tan extremas.
G: ¿Hay algo que esté esperando con ansias?
AD: Me entusiasman dos cosas en la astrofísica de neutrinos: su conducta cuántica, ya que no entendemos cómo adquieren su masa. En los neutrinos solamente vemos uno de sus estados, y no los dos que interactúan con el bosón de Higgs en la mayoría de las partículas. Lo que me entusiasma es ver las transformaciones de los neutrinos de muy elevada energía. También vimos neutrinos con 1.000 veces más energía que el producto del LHC (rayo de partículas). Lo interesante es que el experimento KM3Net del Mediterráneo informó haber observado un neutrino con 100.000 más energía que los rayos LHC. Es tan extraño. Necesitamos entender ese enigma.
G: ¿Qué probabilidades, del 1 al 10, hay de resolver esos misterios?
AD: Si descubrimos que la naturaleza de la masa de los neutrinos se debe a este fenómeno de la oscilación cuántica de las elevadas energías sería un descubrimiento comparable al premio Nobel. Diría que las probabilidades son del 1%.
G: No está tan mal.
AD: Creo que resolveremos el enigma, y que es cuestión de tiempo. Nos puede llevar otros 15 años, pero será entrar en terreno desconocido y veremos qué nos espera entonces. Cuando IceCube empezó a ver los primeros neutrinos, estábamos confundidos porque no lo esperábamos. Y si sigue habiendo cosas que confunden, vamos a encontrar más resultados interesantes.
