IceCube: un telescopio bajo el hielo

El pasado viernes fue el día en que la construcción del telescopio de neutrinos más grande que se haya diseñado fue completada.

Cómo se estudia el universo? Galileo (uno de mis héroes personales) nos enseñó la receta hace 400 años: observando. Diferentes objetos emiten diferentes tipos de luz, para lo cual se emplean diferentes tipos de telescopios. El más común es el telescopio óptico que colecta luz visible, pero de la misma manera radiotelescopios (en observatorios como ALMA y VLA) colectan fotones (partículas de luz) de baja energía, telescopios infrarojos captan fotones con energía menor a la luz visible, y telescopios de rayos X y gamma observan objetos que emiten fotones de altas energías. También hay observatorios que estudian otras partículas, no sólo fotones, por ejemplo en la pampa Argentina se encuentra el observatorio Pierre Auger que estudia la lluvia de partículas producidas por rayos cósmicos (partículas cargadas eléctricamente que continuamente bombardean la Tierra) al chocar con la atmósfera.
Fotones y rayos cósmicos han sido utilizados en las últimas décadas para estudiar eventos estelares y la evolución del universo, sin embargo en el espacio interestelar hay gases y polvo, que muchas veces impiden el paso de los fotones. También hay campos magnéticos que desvían las trayectorias de las partículas cargadas como los rayos cósmicos, por lo tanto las partículas que podemos observar son las que han logrado sobrepasar muchos obstáculos en su camino desde la fuente hasta nuestros observatorios. Existe una partícula muy especial que no es desviada por campos magnéticos (porque no tiene carga eléctrica) y no es opacada por ningún material en el universo: el neutrino. Hemos hablado antes de los neutrinos, pequeñas partículas casi sin masa que casi no interactúan (sólo sienten la interacción débil). En el lenguaje de los físicos “la probabilidad de un neutrino interactúe con la materia es muy baja”. Dado que queremos entender y estudiar fenómenos que ocurren a grandes distancias en el enorme universo, los neutrinos son excelentes partículas ya que se mueven rectilíneamente desde la fuente hasta llegar a la Tierra, no son desviados ni opacados de ninguna manera. Esta es una gran idea y sólo se necesita un observatorio de neutrinos. Aquí sin embargo surge un problema: cómo detectar una partícula que casi no interactúa? La solución que los físicos encontraron es simple.

Interior de Super-Kamiokande

Si los neutrinos interactúan muy a lo lejos con un átomo, las posibilidades aumentan si se construye un detector con muchos átomos. Así es como hoy en día muchos de los detectores de neutrinos son tanques gigantes de agua ultra pura como Super-Kamiokande en Japón (es un cilindro de 40 m de alto y 40 m de diámetro que contiene 50.000 toneladas de agua). La idea es que al haber tantos átomos, las posibilidades de detectar un neutrino aumentan considerablemente (esto se basa en el principio de que si un resultado tiene una probabilidad baja de ocurrir, si se repite muchas veces entonces en promedio va a ocurrir). Cuando un neutrino interactúa con un átomo en el agua, se emite un pequeño flash de luz muy particular llamada radiación de Cerenkov (similar a la producida en reactores nucleares, es equivalente a una onda de choque supersónica pero de luz en vez de sonido), esta luz es la que se registra en detectores y sirve para medir las propiedades del neutrino.
No pasó mucho tiempo antes de que alguien tuviera la genial idea de usar el océano como tanque de agua. Para eso se instalan los detectores llamados módulos ópticos digitales (DOM) a lo largo de cables que se despliegan en el mar. El telescopio ANTARES ha estado operando hace algo más de un año en el Mar Mediterráneo usando esta idea. Está formado por 12 cables de unos 350 m de largo anclados al fondo marino y cada cable tiene 75 DOMs, formando así un telescopio de 864 DOMs. Este tipo de “telescopio” tiene ciertos problemas como corrientes marinas que mueven los cables. La idea siguiente para evitar las corrientes marinas fue usar hielo en vez de agua. Dado que ANTARES está en el hemisferio norte, se buscó una gran masa de hielo en el hemisferio sur: ¿y dónde hay más hielo que en la Antártida? De esta manera se construyó AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array) en el polo sur. Formado por 19 cables con un total de 677 DOMs, uno de los grandes retos fue la perforación del hielo antártico hasta una profundidad de casi 2 km lo que se logró con un sistema de agua caliente a alta presión.

Tamaño de IceCube vs. la Torre Eiffel

Dado que AMANDA no era suficientemente grande (se extendía por 200 m en el polo), el más grande telescopio de neutrinos llamado IceCube fue diseñado para construirse también en el polo sur, junto a AMANDA. El diseño esta vez sería colosal: 86 cables con 60 DOMs cada uno para formar un arreglo de más de 5160 DOMs. La construcción comenzó en 2005, durante mis años de doctorado me ha tocado seguir el desarrollo de IceCube y recientemente conocer a Francis Halzen, uno de los líderes del proyecto, quien se mostraba feliz de que el telescopio sería terminado durante 2010. Y así fue, a través de Twitter pude seguir la instalación del último DOM el pasado viernes. Ese día fue de fiesta en el polo sur para la colaboración de casi 40 universidades y más de 400 científicos de todo el mundo.

Uno de los 5160 DOMs

Ahora IceCube es el telescopio de neutrinos más grande jamás construido, tiene la particularidad de estar diseñado para observar eventos en el cielo sin embargo estar bajo 2 km de hielo y es que los neutrinos atraviesan la Tierra como si no estuviese ahí. Dada la gran cantidad de hielo, los neutrinos pueden interactuar con los átomos de las moléculas de agua produciendo radiación de Cerenkov que será observada por los DOMs. Los neutrinos que IceCube puede observar van desde los producidos en explosiones de estrellas (llamadas supernovas), estallidos de rayos gamma, agujeros negros y otras fuentes fuera de nuestra galaxia.

Más información sobre IceCube en la web oficial, en su blog, y a través de Twitter: @uw_icecube

Acerca de Jorge Diaz

Jorge es Investigador Postdoctoral en el Karlsruher Institut für Technologie, Alemania. Se dedica a la Astrofísica de Partículas estudiando neutrinos, rayos cósmicos y fotones de alta energía. Obtuvo su Ph.D. en Física de Partículas en Indiana University, Estados Unidos. En Twitter: @jsdiaz_
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17 respuestas a IceCube: un telescopio bajo el hielo

  1. sebatectura dijo:

    Impresionante!

    gracias por un blog tan claro, preciso y pulcro! Realmente contribuyen a hacer del ciudadano promedio un troll mas culto, y se agradece. ( y en español!!!! awesome jajaja )

    • Jorge Diaz dijo:

      Me alegro que te guste, que las ideas queden claras y que sea apto para todas las audiencias, ese es justamente el propósito de Conexión Causal.
      Saludos

  2. Miguel Ángel dijo:

    Me parece muy interesante y claro el contenido de este blog

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  8. adaliux dijo:

    Hola, muy buen articulo; pero tengo una duda, espero la respuesta no sea muy compleja. Entiendo que se pueden detectar neutrinos, pero como hacen para saber de donde vienen?

    • Jorge Diaz dijo:

      Hola adaliux,
      tu pregunta es muy buena y la respuesta tiene ciertas complejidades, pero trataré de explicarlo con una analogía que no es tan alejada de la realidad. Como menciono en el artículo, los neutrinos son detectados porque al interactuar con las moléculas de agua en el detector emiten un flash de luz llamado radiación de Cerenkov. Esta luz (equivalente a una onda de choque cuando un avión supera la barrera del sonido) se emite dentro del detector como un cono de luz cuyo vértice indica la dirección desde dónde venía el neutrino que le dio origen, por eso los físicos buscan observar estos conos en su detector y proyectan hacia atrás para ver dónde estaría el vértice y por lo tanto saber de dónde venía el neutrino. Esta figura puede ayudar a la idea que trato de expresar.
      Espero esta respuesta ayude, si todavía no está claro me avisas.
      Un saludo.

      • adaliux dijo:

        Hola, si entiendo la idea (o creo entenderla), por un momento pense que lo hacian debido a la longitud de onda o algo similar. Pero me imagino (o me cuesta mucho trabajo imaginar) que se deben tener aparatos muy precisos para poder medir los angulos de todas las colisiones que se dan. Ahora tu respuesta gener más dudas. Que pasa si hay dos objetos en el mismo angulo o casi en el mismo angulo? Estos apartos si son muy precisos? La información que se obtiene realmente vale la pena?

      • adaliux dijo:

        Por cierto, gracias por tomarte la molestía en responder.

      • Jorge Diaz dijo:

        Hola adaliux, encantado de responder tus preguntas.
        El diseño colosal de IceCube, con sus más de 5000 detectores (DOMs) repartidos en un volumen de un kilómetro cúbico es justamente lo que permite las precisas mediciones de energía y dirección de los neutrinos. Dado que técnicamente IceCube es un “telescopio de neutrinos”, fue diseñado para poder determinar con precisión de dónde venía el neutrino que produjo cada una de los flashes de luz medidos por los DOMs. Notar que aunque pueden haber múltiples colisiones, la más energética será la primera y esa es la que dice de dónde venía el neutrino, por lo que los físicos pueden descartar las colisiones menos energéticas (en caso de múltiples flashes) para enfocarse en la que dio origen a toda la secuencia.

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