Nuevas evidencias de neutrinos cósmicos halladas en el polo sur

Un enorme “telescopio” enterrado profundamente bajo el hielo de la Antártida ha hecho la primera observación de neutrinos cósmicos. La colaboración internacional que opera el laboratorio IceCube asegura la detección de estas partículas de alta energía, sin carga y casi sin masa, marca el comienzo de una nueva era en astronomía en la que la radiación electromagnética no es el único medio que tenemos para sondear el universo distante.

La detección de neutrinos desde el espacio no es nueva. Durante décadas, los físicos han podido observar como los neutrinos generados por las reacciones nucleares en el interior del Sol, así como los producidos por los rayos cósmicos, interactúan con los núcleos en la atmósfera de la Tierra. Pero los neutrinos más lejanos,  hasta ahora, habían mantenido esquivos, sus energías extremadamente altas los hacen más raros y mucho más difíciles de detectar que los de más cercanos a casa.

Al mismo tiempo, los neutrinos cósmicos son particularmente apreciados como portadores de información debido a que su inercia les permite pasar a través de nubes de gas y polvo que mantiene los objetos astrofísicos distantes ocultas de la vista. En particular, podrían ser capaces de revelar el origen de los rayos cósmicos. Los rayos cósmicos son partículas cargadas que hasta llegar a la Tierra cruzan galaxias y campos magnéticos intergalácticos, que los pliegan y oscurecen sus orígenes.

El telescopio IceCube, que costó 2,5 millones de dólares, operado pricipalmente por Estados Unidos, se encuentra en el centro de investigación Amundsen-Scott en el Polo Sur, se compone de 86 cables, cada uno de hasta 2,5 km de longitud, suspendidos en el interior de agujeros verticales en el hielo. Adjunto a cada cable hay docenas de tubos fotomultiplicadores. Los fotomultiplicadores registran la radiación de Cherenkov emitida por las partículas secundarias creadas cuando los neutrinos entrantes colisionan con el hidrógeno u oxígeno del interior del núcleo de hielo.

Los tubos y cables están espaciados a fin de crear un volumen total de detector de 1 km ³. Los neutrinos interactúan con la materia sólo de modo extremadamente débil, lo que significa que los detectores tienen que ser tan grandes como sea posible si van a registrar un importante número de neutrinos en un plazo razonable. Para maximizar sus posibilidades de detección, la colaboración IceCube había centrado inicialmente sus esfuerzos casi exclusivamente en los neutrinos muón, ya que estos generan muones que continúan viajando durante varios kilómetros después de que el neutrino ha chocado, por lo que permite que la interacción más allá de los tubos fotomultiplicadores pueda ser incluida en el conjunto de datos y por lo tanto aumentar efectivamente el volumen del detector.

Sin embargo, un descubrimiento gemelo que se hizo a partir de datos recogidos entre mayo de 2010 y mayo de 2012 convenció al equipo de tomar un enfoque diferente. Los datos contenidos en dos colisiones – apodados Bert y Ernie implican la friolera de 10 ¹⁵  eV de energía cinética, lo que se encontraba dentro de los límites del detector. Como resultado, los investigadores comenzaron un nuevo análisis utilizando sólo los eventos de alta energía que se originan dentro del kilómetro cúbico de hielo instrumentado.

Esta medida limita la cantidad de datos que los investigadores tuvieron para trabajar, pero lo hizo más fácil para filtrar colisiones con los mucho más abundantes neutrinos atmosféricos. Esto se debe a que los eventos de alta energía de origen cósmico tienden a crear una lluvia de partículas secundarias en el detector, mientras que los neutrinos atmosféricos de baja energía tienden a producir pistas de muones individuales.

El cambio de estrategia dio sus frutos y los investigadores han encontrado desde entonces otros 26 eventos con energías de al menos 3 x 10 ¹³  eV. Además, el equipo calcula que sólo alrededor de 11 del total de 28 eventos fueron probablemente causados por los neutrinos o muones atmosféricos. Estos resultados, los investigadores concluyeron, ofrecen lo que se conoce como prueba 4σ para la detección de neutrinos cósmicos, es decir, sus estadísticas sugieren sólo uno de cada 15.000 posibilidades de que todos sus eventos puedan ser explicados a través de fenómenos puramente atmosféricos. ”Esta es la primera evidencia que tenemos de neutrinos que no son de origen atmosférico”, dice el investigador principal IceCube Francis Halzen de la Universidad de Wisconsin-Madison. ”Esto abre una nueva longitud de onda en la astronomía, gracias a un tipo diferente de partícula.”

Emilio Migneco del Instituto Nacional de Italia de Física Nuclear en Catania, que no es miembro de la colaboración IceCube, señala que la evidencia 5σ (menos de uno en un millón de posibilidades de error estadístico) es el estándar que por lo general se requiere para reclamar un nuevo descubrimiento. Sin embargo, dice que “la señal parece surgir claramente del fondo”, y agregó que los resultados son “muy emocionantes y se abrirá una nueva ventana en la observación del universo.”

Migneco advierte, sin embargo, que la ventana no se ha abierto todavía, señalando que las observaciones astronómicas requerirán que los neutrinos detectados por IceCube deban de estar correlacionados con objetos específicos del cielo. Los últimos resultados proporcionan un indicio de que al menos algunos de los neutrinos cósmicos detectados fueron generados en el centro de la Vía Láctea, pero la resolución angular de las medidas no es lo suficientemente alta como para probar esto, y de hecho la colaboración IceCube no hace tal afirmación en su artículo. Migneco, quien es ex-coordinador del telescopio de neutrinos KM3NeT que se encuentra actualmente en construcción en las aguas de Sicilia, dice que una instalación en el hemisferio norte, como el KM3NeT, “puede ayudar a resolver el rompecabezas, ya que tendrá una mejor vista de esta región del cielo “.

Sí IceCube también se concentrará en tratar de resolver este problema. “Ahora que sabemos lo que estamos buscando, probablemente encontrará un montón de otros eventos con bastante facilidad”, dice Halzen. “La estadística es la clave. Especialmente los de neutrinos muón, ya que sus huellas ayudan a determinar de dónde vienen.”

¿Cuáles podrían ser los datos? ”Sería decepcionante si no logramos establecer claramente las fuentes de los rayos cósmicos de esta manera”, dice Halzen. “Pero no es probable que haya sorpresas. Una sorpresa sería identificar el origen de los rayos cósmicos y descubrir que no es nada que los teóricos han pensado en los últimos 100 años.”

Los resultados se describen en Science

Autor: Edwin Cartlidge

Enlace original: IceCube finds cosmic neutrinos at the South Pole