Un detector en el polo sur, registra por primera vez 28 neutrinos de alta energía de origen extraterrestre

El IceCube, un laboratorio situado en la Antártida, logra un hito de la astrofísica al detectar las partículas sin masa ni carga que en todo momento bombardean la Tierra y que podrían revelar el origen de los rayos cósmicos





Un inmenso detector enterrado en el hielo de la Antártida ha conseguido por primera vez registrar neutrinos de alta energía de origen extraterrestre, un tipo de partícula subatómica de naturaleza extremadamente esquiva. La dificultad de su detección estriba en que prácticamente no tienen masa y apenas interaccionan con la materia, por lo que los miles de millones de neutrinos que cada segundo bombardean cada centímetro cuadrado de la Tierra no dejan ningún rastro de su paso.
Sin embargo, la mayoría de los neutrinos que llegan a nuestro planeta proceden del Sol o de la atmósfera, y solo unos pocos, los de mayor energía, se originan en rincones remotos de nuestra galaxia o aún más lejos. Estos solo han sido detectados en una ocasión, en 1987, gracias a la explosión de la supernova cercana 1987A.
Estos neutrinos de alta energía se originan en objetos espaciales galácticos o extragalácticos que emiten potentes rayos cósmicos. Cuando en estas fuentes los protones y núcleos acelerados interaccionan con el gas y la luz, se producen otras partículas cuya desintegración emite neutrinos. Así, estas partículas actúan como testigos de los rayos cósmicos, que atraviesan el espacio y cuya procedencia no es fácil de analizar, ya que la carga eléctrica de sus partículas asociadas hace que se desvíen con los campos magnéticos. Esto no ocurre con los neutrinos, que carecen de carga y pueden moverse libremente y en línea recta sin que nada los desvíe. Tal es su inmunidad que los neutrinos de 1987A alcanzaron la Tierra tres horas antes de que lo hiciera la luz de la supernova.
Primero fueron Ernie y Bert
Situado en la Estación Amundsen-Scott en el Polo Sur, el IceCube es el mayor detector de partículas del mundo. Cada vez que sus datos muestran un evento de posible interés, la información se transmite para su análisis a su cuartel general, el Centro de Astrofísica de Partículas IceCube de Wisconsin (WIPAC, por sus siglas en inglés) en la Universidad de Wisconsin-Madison (UW-M), en EE. UU.
En abril de 2012 los investigadores del IceCube, dirigidos por el físico de la Universidad de Adelaida (Australia) M. G. Aartsen, descubrieron dos eventos con energías superiores a los 1.000 teraelectronvoltios (TeV), una energía muy superior a la de los neutrinos atmosféricos. Estos dos eventos, denominados por los científicos Ernie y Bert, fueron analizados en un estudio publicado en la revista Physical Review Letters.
«A partir de las pistas en los análisis previos del IceCube, utilizamos métodos mejorados de análisis y más datos para dar un significativo paso adelante en nuestra búsqueda de la esquiva señal astrofísica», comenta la portavoz de la colaboración Olga Botner, de la Universidad de Uppsala (Suecia). Así, de inmediato los investigadores repasaron los datos acumulados por el detector entre mayo de 2010 y mayo de 2012, hallando otros 26 eventos de energías superiores a 30 TeV, el umbral esperado para los neutrinos astrofísicos.
Una nueva era para la astronomía
Todos ellos reunían las características que los convertían en firmes candidatos para confirmar su origen extraterrestre, excediendo en mucho la energía de los neutrinos atmosféricos o la de otros eventos de alta energía, como los muones producidos por la interacción de rayos cósmicos en la atmósfera. La relevancia estadística de la señal es de más de 4 sigmas, una medida de confianza que en física de partículas otorga la suficiente credibilidad para ser aceptada por la comunidad científica.
Los resultados preliminares se presentaron el pasado 15 de mayo en el Simposio de Astrofísica de Partículas del IceCube en la UW-Madison, y se publican este viernes 22 de noviembre en Science mediante un resumen que se amplía en un artículo más extenso disponible en la web de la revista.
«Ahora disponemos de la sensibilidad para observar estos eventos. Después de ver cientos de miles de neutrinos atmosféricos, por fin hemos encontrado algo diferente», señala Francis Halzen, profesor de física de la UW-Madison e investigador principal del IceCube. «Esta es la primera indicación de neutrinos de muy alta energía procedentes del exterior de nuestro Sistema Solar, con energías más de un millón de veces superiores a los detectados en 1987 en conexión con una supernova observada en la Gran Nube de Magallanes», resume el científico. «Es gratificante ver por fin lo que hemos estado buscando. Este es el amanecer de una nueva era para la astronomía».
Luz de Cherenkov
El IceCube está compuesto por 5.160 sensores llamados módulos ópticos digitales, suspendidos de 86 cables de acero embebidos en un kilómetro cúbico de hielo bajo el Polo Sur. Cada vez que los neutrinos interaccionan en el hielo producen un diminuto fogonazo azul denominado luz de Cherenkov, que es registrado por los sensores.
El observatorio se construyó en siete años con la financiación de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) de EE. UU. y de otras entidades internacionales, completándose en diciembre de 2010. Además de la UW-Madison, el consorcio cuenta con la participación de 250 científicos e ingenieros de instituciones en EE.UU., Alemania, Suecia, Bélgica, Suiza, Japón, Canadá, Nueva Zelanda, Australia, Reino Unido y Corea.
«El éxito del IceCube se debe al esfuerzo de cientos de personas en todo el mundo», afirma Botner. «Los colaboradores del IceCube lograron que ocurriera, desde el diseño y la instalación en un entorno hostil, pasando por demostrar la viabilidad del concepto, hasta la recolección de datos y el análisis físico. Todo ello ha requerido esfuerzos coordinados que finalmente han conducido a las observaciones presentadas en este estudio».
«El IceCube es un telescopio astrofísico maravilloso y único», opina Vladimir Papitashvili, de la División de Programas Polares de la NSF, encargada de la gestión operativa del IceCube. «Está situado en la profundidad del hielo antártico pero vigila el universo entero, detectando neutrinos que atraviesan la Tierra desde los cielos del norte, así como los del entorno de los cielos del sur». Su colega Jim Whitmore, de la División de Física de la NSF, añade: «El Observatorio de Neutrinos IceCube ha abierto una nueva era en la observación astrofísica de los neutrinos. Está en la avanzada del campo de la astronomía de neutrinos, proporcionando observaciones que han sido largo tiempo esperadas tanto por los teóricos como por los experimentalistas».
Próximos objetivos
«Ahora la colaboración es abordar un reto aún mayor: cómo conseguir que el IceCube haga una gran aportación a la astronomía», dice Botner. La portavoz del IceCube se refiere al próximo gran objetivo de este experimento, localizar e identificar las fuentes de los rayos cósmicos, entre las que podrían encontrarse supernovas, agujeros negros, brotes de rayos gamma, púlsares, núcleos galácticos activos y otros fenómenos extragalácticos extremos.
Hasta ahora no ha sido posible porque, pese a que los neutrinos se mueven en línea recta, los 28 eventos registrados no son suficientes para rastrear el origen de las partículas. Los científicos confían en lograrlo aumentando el número de eventos. «Ahora estamos trabajando duro para mejorar la relevancia de nuestra observación y para comprender qué significa esta señal y de dónde procede», concluye Botner