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 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 interaccionan (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 interacciona? 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 (ver ¿Cómo atrapar un neutrino?). 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 Cherenkov (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 Cherenkov 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