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Timestamp: 2019-03-25 03:58:32+00:00

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¿Qué implica la detección de neutrinos de alta energía de origen astrofísico? | CPAN - Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear
¿Qué implica la detección de neutrinos de alta energía de origen astrofísico?
Submitted on Mon, 25/11/2013 - 10:35
La colaboración del experimento IceCube acaba de publicar en Science las primeras evidencias de neutrinos cósmicos de alta energía. Este resultado constituye un hito fundamental en el modo en el que estudiamos el Universo. Los métodos tradicionales de observar el cosmos han sido hasta ahora los fotones y los rayos cósmicos, que han proporcionado una riquísima fuente de información por su abundancia y facilidad de interacción (y por tanto de detección). Sin embargo, esta facilidad de interacción supone también una limitación, ya que son absorbidos al viajar grandes distancias cósmicas, en particular a altas energías.
Los últimos resultados de IceCube son extraordinariamente relevantes justamente porque prueban que disponemos de una alternativa que no tiene estas limitaciones: los neutrinos cósmicos. Estos también son muy abundantes, pero su probabilidad de interacción es mucho más pequeña, por lo que no son absorbidos como los fotones o los rayos cósmicos. Por eso hemos tenido que esperar medio siglo desde que se propuso cómo se podían detectar hasta que finalmente hayamos encontrado evidencias de su existencia.
En los últimos años ya habíamos disfrutado de un par de aperitivos a bajas energías: la detección de neutrinos de la supernova SN1987a y las observaciones de neutrinos solares. Ahora acaba de empezar la discusión sobre la interpretación sobre lo que IceCube ha encontrado, pero todo apunta a que hemos abierto una nueva ventana al cosmos.
La idea en la que se basa el detector IceCube fue propuesta por Markov en 1960 y consiste en utilizar la luz Cherenkov inducida por los muones producidos en las interacciones por corriente cargada de neutrinos cósmicos de muy alta energía. Las propiedades de los neutrinos, junto al hecho de que necesitamos que el medio de detección sea transparente para que se pueda propagar esta luz Cherenkov, definen cuáles son las opciones que tenemos para construir un detector así.
Grandes volúmenes para detectar la luz Cherenkov
Dado que sus interacciones son muy débiles, necesitamos enormes volúmenes con instrumentación (del orden de un kilómetro cúbico), lo cual implica que ha de ser un medio muy barato. Y lo más barato es usar lo disponible en la naturaleza, como es el caso del agua de mares o lagos o el hielo antártico. Esta última opción ha sido la elegida para construir IceCube.
IceCube consiste en una retícula de 5.160 fotomultiplicadores instalados en 86 líneas de un kilómetro de longitud, enterradas en el hielo antártico, cubriendo un área de un kilómetro cuadrado. Por tanto, el volumen instrumentado del detector es de un kilómetro cúbico. Estos fotomultiplicadores detectan la luz Cherenkov. La información de dónde y cuándo se ha detectado esta luz permite reconstruir la dirección de los neutrinos.
Si estos neutrinos son de tipo muónico y han interaccionado por corriente cargada (sucesos de tipo "traza"), la resolución angular que se puede conseguir es muy buena (del orden de décimas de grado) y por eso nos referimos a estos detectores como "telescopios" de neutrinos. Cuando el suceso ha sido originado mediante corriente neutra o cuando el neutrino original es electrónico o tauónico (sucesos de tipo "cascada"), la reconstrucción de la dirección es más complicada, con una resolución angular típica de 10-15 grados.
Lo que IceCube acaba de anunciar es la detección 28 sucesos (21 cascadas y 7 trazas), encontrados en los datos recogidos entre mayo de 2010 y mayo de 2012. Sabemos que no todos ellos son señales cósmicas, porque también se pueden introducir sucesos producidos por los rayos cósmicos en la atmósfera terrestre, pero podemos calcular que estos sucesos de fondo no pueden ser más de unos quince. La significancia estadística es de 4 sigmas, cerca ya de las 5 sigmas que se suelen considerar como referencia para hablar de "descubrimiento", y se espera que con el año adicional de datos que ya está analizando se llegue al nivel de descubrimiento.
Ganar resolución y mirar al centro de nuestra galaxia
El hecho de que la mayoría de los sucesos sean cascadas (y por tanto sin buena resolución angular) se debe a la técnica usada para reducir al máximo el fondo de sucesos atmosféricos. Esta exige que los sucesos empiecen (es decir que el neutrino interaccione) dentro del detector. Una alternativa, que permite usar más sucesos de traza y por tanto con mejor resolución angular, para luchar contra el fondo es usar la Tierra como escudo contra el fondo (dominante) de muones atmosféricos.
Esto implica usar sólo sucesos detectados yendo hacia arriba. Sin embargo, esto tiene una desventaja para IceCube, y es que dado que el detector está instalado en el Polo Sur, mirar sólo a cosas que vienen desde arriba implica mirar sólo al hemisferio Norte. Pero la mayor parte de nuestra galaxia, incluyendo su centro, solo es visible mirando al hemisferio Sur. Y nuestra galaxia es una de las fuentes más interesantes para observar. Por tanto, necesitamos también un telescopio de neutrinos en el hemisferio Norte.
Telescopio de neutrinos en el hemisferio Norte
En este hemisferio no tenemos una Antártida pero podemos usar el mar, que tiene además la ventaja de permitir una mejor resolución angular porque la luz se dispersa menos que en el hielo. Ya hemos dado un importante primer paso en este sentido, la construcción del detector ANTARES en el mar Mediterráneo, que observa el hemisferio Sur desde 2008 y está permitiendo realizar una amplia variedad de análisis. ANTARES es un proyector europeo, donde participan varios grupos de investigación españoles.
Sin embargo, sabemos que ANTARES es demasiado pequeño para ver los flujos que IceCube está observando (tiene un volumen unas 40 veces menor). El siguiente paso ya ha comenzado, una vez comprobado el éxito técnico de ANTARES: la construcción de KM3NeT, un telescopio de neutrinos de un volumen de varios kilómetros cúbicos en el fondo del mar Mediterráneo donde los grupos de investigación españoles en ANTARES también están presentes. En los próximos años KM3NeT permitirá ampliar esta nueva ventana que acabamos de empezar a abrir y entonces podremos contemplar el cielo de neutrinos, escrutándolo en busca de nuevos descubrimientos.
Por Juan de Dios Zornoza, investigador del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV).

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