A la caza de neutrinos en el Océano Pacífico

Los astrónomos proponen la construcción de un telescopio gigante para detectar neutrinos, las partículas más escurridizas del cosmos, en una franja aislada del Océano Pacífico.

Juan Domínguez

Se quiere convertir una franja masiva del Océano Pacífico en un detector de neutrinos.
Se quiere convertir una franja masiva del Océano Pacífico en un detector de neutrinos.

Los neutrinos son una de las partículas más escurridizas del cosmos, solo superadas por la materia oscura ultramisteriosa. Se fabrican en cantidades considerables y son responsables de la fusión y descomposición nuclear. De tal forma que, cada vez que sucede algo nuclear, los neutrinos están involucrados.

Por ejemplo, el núcleo del Sol es una reacción de fusión nuclear gigante, por lo que, naturalmente, produce bastantes neutrinos.

Los científicos descubrieron que los neutrinos tienen una pequeña cantidad de masa

Pero los neutrinos interactúan raramente con la materia. Son tan fantasmales y efervescentes que, durante décadas, los físicos supusieron que estas partículas carecían por completo de masa y viajaban por el universo a la velocidad de la luz. Pero después de que comenzaron a acumularse montañas de evidencia, los científicos descubrieron que los neutrinos tienen una pequeña cantidad de masa.

Exactamente cuánta masa es una cuestión que actualmente se está investigando. Hay tres tipos de neutrinos: el neutrino electrónico, el neutrino muónico y el neutrino tau. Cada uno de estos participa en diferentes tipos de reacciones nucleares y, de manera frustrante, los tres tipos de neutrinos tienen la extraña capacidad de cambiar de una identidad a otra, a medida que viajan. Entonces, incluso si logra ver un neutrino y determinar su tipo, solo sabe una fracción de lo que desearía saber.

A los físicos les encantaría hacer dos cosas: medir las masas de las tres clases de neutrinos y comprender de dónde provienen esas masas.

Evento de neutrinos detectado por Ice Cube.
Evento de neutrinos detectado por Ice Cube. Fuente: IceCube.

 

Experimentos con agua

Los experimentos para detectar neutrinos han progresado mucho y se han hecho más grandes con cada generación. El experimento Kamiokande en Japón, por ejemplo, detectó los neutrinos provenientes de la supernova 1987A. Pero necesitaban una tina de más de 50.000 toneladas de agua para hacerlo.

Ese observatorio consiste en un kilómetro cúbico sólido de hielo en el Polo Sur, con docenas de cadenas de receptores del tamaño de la Torre Eiffel hundidas un kilómetro en la superficie

En los últimos años, el Observatorio de Neutrinos IceCube en la Antártida ha subido la apuesta. Ese observatorio consiste en un kilómetro cúbico sólido de hielo en el Polo Sur, con docenas de cadenas de receptores del tamaño de la Torre Eiffel hundidas un kilómetro en la superficie. Después de una década de trabajo, IceCube descubrió algunos de los neutrinos más energéticos de la historia y dio pasos tentativos para encontrar sus orígenes.

¿Por qué tanto Kamiokande como IceCube usan tanta agua? Una gran cantidad de casi cualquier cosa puede servir como detector de neutrinos, pero el agua pura es ideal. Cuando uno de los billones de neutrinos que pasan golpea una molécula de agua al azar, emite un breve destello de luz.

Los observatorios contienen cientos de fotorreceptores, y la pureza del agua permite que esos detectores señalen la dirección, el ángulo y la intensidad del destello con mucha precisión. (Si el agua tuviera impurezas, sería difícil reconstruir de dónde vino el destello dentro del volumen).

El Laboratorio IceCube en la Estación Amundsen Scott del Polo Sur, en la Antártida
El Laboratorio IceCube en la Estación Amundsen Scott del Polo Sur, en la Antártida. Fuente: IceCube.

El gran parche de neutrinos del Pacífico

Todo esto está muy bien para los neutrinos normales y cotidianos. Pero los neutrinos más energéticos son extraordinariamente raros. Sin embargo, también son los más emocionantes e interesantes porque solo pueden ser causados ​​por los eventos más gigantescos y poderosos del universo.

IceCube, después de una década de observación, ha podido capturar un simple puñado de estos neutrinos ultrapoderosos

Desafortunadamente, todo el poder de IceCube, después de una década de observación, ha podido capturar un simple puñado de estos neutrinos ultrapoderosos. Así que se necesita un detector más grande.

Esta es la idea detrás del Experimento de neutrinos del Océano Pacífico (P-ONE), una nueva propuesta que consiste en convertir una franja masiva del Océano Pacífico en un detector de neutrinos.

Una vez más, el concepto es sorprendentemente simple: encontrar una parte solitaria y adecuada del Pacífico. Muy fácil. Construir cadenas largas de fotodetectores, al menos un kilómetro de largo. Hundir estos hilos en el fondo del océano, preferiblemente a una profundidad de más de 2 kilómetros. Y ponerle flotadores para que se mantengan erguidos en el agua, como algas mecánicas gigantes.

Diseño de la etapa final propuesta de instrumentación del Experimento de neutrinos del Océano Pacífico
Diseño de la etapa final propuesta de instrumentación del Experimento de neutrinos del Océano Pacífico

El diseño de P-ONE actualmente incluye siete grupos de 10 cuerdas, cada una de las cuales alberga 20 elementos ópticos. Eso es un total de 1.400 fotodetectores flotando alrededor de un área del Pacífico de varios kilómetros de ancho, brindando mucha más cobertura que IceCube.

El experimento requerirá una calibración constante para ajustarse a diversas variables y rastrear de manera confiable los neutrinos

Una vez que esté en funcionamiento, solo hay que esperar. Los neutrinos golpearán el agua del océano y emitirán un pequeño destello, y los detectores lo rastrearán.

Por supuesto, es más difícil de lo que parece.  El experimento requerirá una calibración constante para ajustarse a diversas variables y rastrear de manera confiable los neutrinos. Sin embargo, el equipo detrás de P-ONE está en ello y ya tiene planes para construir una demostración más pequeña de dos hilos como prueba de concepto.

Y luego, a la caza de neutrinos.

Fuente: Space.