Acabas de nacer y abres los ojos por primera vez. Todo lo que ves es nuevo, el mundo y la realidad que se van construyendo segundo a segundo, porque nada de lo que ves lo habías visto antes. En ciencia nos estamos enfrentando a una visión del universo como un bebé recién nacido, ahora miramos al cielo con herramientas que nos lo muestran de una forma completamente nueva y uno de los culpables de esto es IceCube: el gran detector de neutrinos.

Hace un tiempo escribí un post sobre el Large Hadron Collider (LHC) en el que decía que este experimento es una puerta al Ser Humano del futuro. IceCube es otro de esos experimentos de física fundamental que trata de responder a cuestiones de índole puramente teórica pero que, sin lugar a dudas, moldeará la tecnología del futuro.

El laboratorio IceCube en La Antártida. Bajo el hielo se pueden ver representados algunos sensores del detector. Crédito: Icecube/NSF

El Observatorio de Neutrinos IceCube se encuentra en un lugar remoto de nuestro planeta, La Antártida. El detector se encuentra situado a unos 1.600 metros bajo el hielo y ocupa un kilometro cuadrado de superficie…¡casi nada! ¿pero por qué ha de tener estas dimensiones tan brutalmente grandes? Para que entendamos bien este experimento lo primero que tenemos que saber es qué son los neutrinos…¡pues a por ello!

¿Qué es un neutrino?

Los neutrinos son partículas fundamentales, es decir, que no están compuestas por otras partículas (como el caso del protón o el neutrón que están compuestos por quarks) y cuya masa es aproximadamente 10.000 millones de veces más pequeña que la de un protón. Vale, lo sé, es imposible imaginarse algo tan “pequeño” o poco masivo. Pero, ¿qué tienen de especial los neutrinos?

Los neutrinos sólo interaccionan débilmente con la materia ordinaria, esto es, no tienen carga eléctrica y por tanto no interaccionan electromagnéticamente, y tampoco tienen color y por tanto interacciones fuertes. Igual esta frase ha sido muy técnica. Vamos a ponerlo de otra manera, cada segundo 100000000000 neutrinos atraviesan tu cuerpo, pues la probabilidad de que alguno choque contra ti durante tu vida es de 0.0000000000000000000000001. ¡Sí, los neutrinos van a su rollo y no les gusta nada mezclarse con la materia ordinaria! ¿Y entonces qué hacen? pues nada, ellos siguen su camino atravesando todo lo que pillan…

Existen tres tipos de neutrinos: electrónicos, muónicos, y tauónicos. Además, tienen la propiedad de mezclarse entre ellos y convertirse los unos en los otros. Crédito: Sanford Facility web.

El universo está lleno de neutrinos, de hecho, hasta donde sabemos hoy en día, la mayor parte de neutrinos que nos rodea se creó poco después del nacimiento del universo (si pudiéramos detectarlos tendríamos una foto del universo con pocos segundos de vida, pero esto es otro tema). Sin embargo, los neutrinos se producen de forma constante en otros procesos. Por ejemplo, en plantas nucleares, aceleradores de partículas como el LHC, en el nacimiento y muerte de estrellas, en sus colisiones, y en supernovas.

Si lo atraviesan todo…¿cómo es posible saber que existen?

Esta es otra de esas historias que dejan ver la grandeza de la teoría, la grandeza de las matemáticas. Es posible que si los neutrinos no se hubieran postulado de forma teórica, hubiéramos tardado muchísimo más en detectarlos. En este sentido, la mente del físico a través del lenguaje de las matemáticas es capaz de ir mucho más allá de lo que imaginamos.

Nos remontamos a los años 30 del siglo pasado. Wolfang Pauli sugirió que en los átomos podían existir unas partículas muy muy ligeras a las que llamó “neutrones” (no confundir con lo que llamamos neutrones a día de hoy, él sólo hacía referencia a que eran eléctricamente neutras). Para hacer tal postulado Pauli recurrió a la aparente contradicción que existía en un proceso llamado decaimiento beta, para nosotros, un proceso relacionado con la radioactividad.

El mismo Pauli se dio cuenta de lo que acababa de hacer: “He hecho una cosa terrible, he postulado la existencia de una partícula que no puede ser detectada”, dijo. Poco después, el físico italiano Enrico Fermi desarrolló una teoría para los decaimientos beta, en esta teoría apareció por primera vez el nombre de “neutrino“. Sin embargo, hubo que esperar décadas para la confirmación experimental, la detección, de los neutrinos.

Wolfang Pauli, Werner Heisenberg, y Enrico Fermi. Crédito: CERN

Fue bien entrada la década de los 50 cuando Clyde L. Cowan y Frederick Reines usando un reactor nuclear fueron capaces de detectarlos, logró que recibió el Nobel en 1995 (¡no esperaron casi nada para dárselo eh!). Para este hallazgo se usaron dos tanques de 200 litros de agua con cerca de 40 kg de CdCl2 disuelto. ¡Fijaos la cantidad de material que usaron! y más teniendo en cuenta que el reactor nuclear producía 10000000000000 neutrinos…¡por segundo y por centímetro cuadrado! Vale, ya nos queda claro que para detectar neutrinos hace falta que éstos atraviesen mucha cantidad de algo y así aumentar las posibilidades de que choquen…

El gran IceCube

IceCube es un detector de neutrinos de un kilometro cúbico hecho de hielo de la Antártida, y situado cerca de la estación polar de Amundsen-Scott. ¡El experimento en si mismo es ese pedazo de trozo de hielo! y los detectores están enterrados bajo el hielo, llegando a una profundidad de cerca de 2,500 metros. A ver, no sé si os habéis hecho la imagen mental correcta, pero pensad la cantidad de hielo antártico de la que estamos hablando, ¡millones de cubitos de hielo de la última copa que te tomaste!

El detector. Crédito: Colaboración IceCube.

Los detectores, llamados técnicamente fotomultiplicadores porque amplifican la luz que les llega, están metidos en 86 tubos de hielo repartidos por toda la superficie del hielo (mira la imagen anterior). Básicamente IceCube consiste en lo siguiente: lleno un trozo gigantesco de hielo de detectores y espero a que cuando pase un neutrino y choque (de ahí que se use un trozo tan grande de hielo, cuanto más hielo más probabilidad hay de que choquen) produzca una luz que yo puedo detectar. ¿Ahora producen luz los neutrinos? Sí, y una muy especial…

Radiación Cherenkov

Con este nombre tan temible se conoce al efecto por el cual los neutrinos producen luz. En realidad, el efecto es el mismo que cuando un avión rompe la velocidad del sonido, es decir, va más rápido que el sonido en la atmósfera (medio). Cuando esto ocurre, se genera una onda de choque. Con la luz pasa lo mismo

Avión generando una onda sonora de choque.

En el caso de los neutrinos pasa lo siguiente. Cuando un neutrino choca contra el hielo de IceCube produce otra partícula llamada lepton (es un nombre genérico de un tipo de partículas). Para entendernos podemos pensar en un electrón, que de hecho es un lepton. Cuando una partícula cargada eléctricamente, en este caso un electrón lo está, viaja por el hielo más rápido de lo que lo haría la luz por ese mismo medio, entonces, se produce una onda de choque que en este caso es luminosa: la radiación Cherenkov. Pero ojo, la partícula no va más rápido que la luz en el vacío, va más rápido que la luz en ese medio y siempre siempre siempre más lenta que la luz en el vacío (¡que os veo, conspiranoicos!).

Radiación Cherenkov (azul) producida por un reactor nuclear. Crédito: Wikipedia

Es importante notar que la radiación Cherenkov, al igual que la onda de choque sonora, por definición viaja más lenta que el objeto que la produce, en este caso el lepton. Además, no se genera hacía delante sino que viaja desde la “la parte de atrás” del objeto y formando un frente de onda que se propaga. En la imagen de portada de este post podéis ver precisamente esto. El neutrino ha chocado contra el átomo (en rojo) y ha producido un lepton (más pequeño, en blanco, en la parte derecha). El lepton deja un rastro azul de radiación Cherenkov a su paso.

¿Qué ven los detectores de IceCube cuando esto ocurre?

Dicen que una imagen vale más que mil palabras, así que me voy a ahorrar unas cuantas dejando este maravilloso vídeo de la colaboración IceCube en el que se ve qué pasa cuando un neutrino choca contra el hielo…

En el vídeo se observa cómo el neutrino que viaja desde el espacio exterior, choca contra un átomo que está dentro del volumen de IceCube y genera un lepton. Éste lepton comienza su viaje a una velocidad mayor que la de la luz en el hielo y genera radiación Cherenkov (azul) a su paso. Es esta radiación la captan los fotomultiplicadores de IceCube (situados en los tubos insertados en el hielo) y envían la señal hasta los laboratorios situados en la superficie.

Una máquina construida para desvelar los misterios del cosmos

Muchos de los misterios que aún nos aguarda el cosmos seguirán siéndolo debido a que la información en forma de luz o materia que nos mandan fuentes tales como galaxias, agujeros negros, o estrellas, chocan, modifican su trayectoria o  son absorbidos por otros objetos que hay entre nosotros y ellos. Los neutrinos, sin embargo, nos permiten desvelar algunos. Ellos nos proporcionan una visión limpia, directa, y en línea “recta” de esos fenómenos, corren el velo del misterio proporcionándonos una oportunidad única.

Como hemos dicho al principio del post los neutrinos interaccionan muy débilmente con la materia, lo que hace muy difícil su detección. No obstante, esto nos brinda una gran oportunidad. Muchas de las fuentes que hemos mencionado producen neutrinos. Éstos son capaces de viajar directamente hasta nosotros sin chocar con nada por medio, dándonos una información valiosísima. ¿Os imagináis un neutrino que viaja miles de millones de años luz sin chocar con nada y que justo lo haga con un cubo de hielo de La Antártida? Bufff, es maravilloso, y ya ha ocurrido…

Representación de rayos cósmicos saliendo de un agujero negro.

IceCube es capaz de detectar sólo neutrinos de alta energía, es decir, ¿esos que os decíamos que se habían producido al comienzo del universo y que nos rodean? pues esos no. Los neutrinos de alta energía se producen en fenómenos violentos del universo, como un agujero negro o un pulsar. Son parte de lo que se conocen como rayos cósmicos. Su estudio es fundamental para entender este tipo de procesos que tienen lugar en el universo.

Y ocurrió…se abrió la era multimensajera en astrofísica: ¡un bebé ha nacido!

El 22 de Septiembre de 2017 tuvo lugar un hito en la ciencia moderna, un neutrino de alta energía proveniente de una fuente situada a miles de millones de años luz de la Tierra golpeó el hielo de IceCube y se pudo ver su luz subsecuente. En aproximadamente 43 segundos, los algoritmos de IceCube localizaron la fuente que había producido ese neutrino y avisó a otros observatorios a lo ancho y largo del planeta…¡en 43 segundos!

Cuatro horas después el Observatorio Neil Gehrels Swift detectó la fuente, el agujero negro supermasivo TXS 0506+056 situado a 3700 millones de años luz de nuestro planeta. Poco después el satélite Fermi de la NASA confirmó que de esa localización estaba llegando una ráfaga intensa de rayos gamma (luz de alta energía). Más de 20 observatorios detectaron el evento.

Esquema del Blazar detectado por el neutrino en IceCube. Vemos que el neutrino viaja en línea recta hasta la Tierra. Crédito: IceCube Collaboration.

La mezcla de información de todos los observatorios permitió descifrar muchas cuestiones sobre este evento. Fue producido por un Blazar, una galaxia con un agujero negro supermasivo en su centro y que devorando materia a su alrededor genera chorros de rayos cósmicos. El neutrino detectado en IceCube permitió avisar de la localización exacta de la fuente, el Blazar, y así todos los telescopios se pusieron en marcha.

IceCube supone por tanto una ventana del Ser Humano al universo de los neutrinos de alta energía. Aparte del evento que acabamos de comentar, IceCube ha detectado otros neutrinos de alta energía aportando a la ciencia una información de un valor incalculable. En el futuro que no te quepa duda de que oirás hablar, y mucho, de este experimento.

Es maravilloso pensar que hemos sido capaces de diseñar una máquina que nos lleva directamente a un fenómeno ocurrido hace miles de millones de años, así es la ciencia, algo tremendamente fascinante.