Detectan partículas fantasma en la Antártida con energía 10 mil millones de veces mayor que la del sol

Una cantidad asombrosa de partículas invisibles, conocidas como neutrinos, atraviesan constantemente la Tierra y nuestros cuerpos, continuando su camino hacia el espacio casi sin obstáculos. Estos enigmáticos componentes del universo son extremadamente difíciles de detectar, pero los científicos han encontrado formas de capturar evidencia de su paso, lo que abre nuevas oportunidades para investigar el cosmos y sus entornos más extremos.

La investigación sobre neutrinos ha desempeñado un papel fundamental en la física moderna, contribuyendo a la obtención de cinco premios Nobel. Este año, el físico Francis Halzen recibió el prestigioso galardón por sus contribuciones decisivas al IceCube Neutrino Observatory y el descubrimiento de neutrinos de alta energía de origen astrofísico.

George Fuller, profesor distinguido de Física en la Universidad de California - San Diego, ha estudiado la física nuclear, la astrofísica de partículas y la cosmología durante décadas. Ha colaborado con Halzen en un artículo científico sobre IceCube. Su experiencia ayuda a explicar lo que hace que los neutrinos sean tan inusuales y por qué se construyó un enorme observatorio en el hielo antártico para estudiarlos.

¿Qué hace que los neutrinos sean tan misteriosos?

Los neutrinos son partículas elementales que, según los científicos, no tienen componentes más pequeños. Existen en tres variedades: neutrinos electrónicos, muónicos y tau. A diferencia de las partículas cargadas eléctricamente, los neutrinos no tienen carga eléctrica. Poseen masa, pero es extraordinariamente pequeña, potencialmente alrededor de 10 millones de veces menos que la masa de un electrón. Las masas exactas de los neutrinos siguen siendo desconocidas, al igual que el mecanismo responsable de su producción.

Otra característica notable es su capacidad para atravesar la materia casi sin resistencia. Debido a que los neutrinos interactúan raramente con otras partículas, pueden cruzar distancias vastas a velocidades cercanas a la de la luz.

Los neutrinos provienen de muchos lugares, incluyendo el Sol y regiones distantes del espacio. Se estima que el universo contiene aproximadamente 10⁸⁹ neutrinos, equivalentes a alrededor de mil millones por cada átomo existente.

"Los neutrinos son verdaderamente partículas fantasma", afirmó Fuller. "Es difícil detenerlos. Es difícil atraparlos. ¿Cómo sabemos siquiera que existen o dónde están?".

Partículas fantasma que atraviesan casi cualquier cosa

A pesar de su naturaleza esquiva, los neutrinos ocasionalmente interactúan con la materia a través de una fuerza fundamental conocida como la interacción débil. Esta fuerza es aproximadamente 20 órdenes de magnitud más débil que el electromagnetismo. Estas interacciones pueden causar que los neutrinos se dispersen o sean absorbidos, proporcionando a los científicos una forma de detectarlos. Sin embargo, estos eventos son tan poco comunes que su observación requiere equipos excepcionalmente sensibles.

Su capacidad para moverse a través de material denso también hace que los neutrinos sean mensajeros valiosos de regiones del universo que de otro modo serían inaccesibles. Pueden escapar de entornos que rodean estrellas en colapso y agujeros negros, llevando información que otras formas de radiación podrían no revelar.

La escala de esta actividad invisible es asombrosa. Aproximadamente 100 mil millones de neutrinos pasan a través de cada centímetro cuadrado de tu cuerpo cada segundo, casi sin ser notados.

"Debido a que la interacción es tan débil, los neutrinos pueden atravesar casi cualquier cosa", dijo Fuller. "Años luz de plomo, dependiendo de su energía, pasarían justo a través de ello".

Cómo los científicos aprendieron a detectar neutrinos

La búsqueda de neutrinos comenzó mucho antes de que existieran tecnologías para observarlos. En la década de 1930, el físico Wolfgang Pauli propuso que una partícula desconocida podría explicar por qué parecía faltar energía durante ciertos tipos de desintegración radiactiva. Inicialmente usó un nombre diferente para la partícula hipotética (la llamó "neutrones" en ese momento).

Pauli entendió lo difícil que sería verificar su idea. Famosamente reconoció el problema diciendo: "He hecho algo terrible, he postulado una partícula que no puede ser detectada".

Durante décadas, los neutrinos permanecieron fuera del alcance de los experimentos. Eso cambió en 1956, cuando los físicos Clyde Cowan y Frederick Reines lograron detectarlos en un experimento conocido como "Proyecto Poltergeist".

Este avance estableció que los neutrinos eran reales, pero detectarlos siguió siendo un enorme desafío. Los científicos necesitaban instrumentos cada vez más sofisticados para investigar los neutrinos más raros y energéticos que llegaban del espacio.

Por qué la Antártida es ideal para la caza de neutrinos cósmicos

Durante la década de 1990, Halzen reconoció que el Polo Sur ofrecía un entorno natural extraordinario para la investigación de neutrinos. Muy por debajo de la superficie de la Antártida, enormes volúmenes de hielo son excepcionalmente claros, con relativamente pocas burbujas o contaminantes que interfieran con la detección de destellos de luz débiles.

Su visión finalmente condujo al IceCube Neutrino Observatory, un gigantesco instrumento científico incrustado en aproximadamente un kilómetro cúbico de hielo antártico. Para su construcción, los investigadores perforaron agujeros profundos y bajaron largas cuerdas de detectores de luz sensibles llamados tubos fotomultiplicadores.

Estos instrumentos buscan destellos breves de luz azul producidos a través de un fenómeno llamado radiación de Cherenkov. La luz aparece cuando un neutrino interactúa con la materia en el hielo y produce una partícula cargada que viaja más rápido que la luz puede moverse a través de ese material.

Al registrar estos destellos, los investigadores pueden identificar evidencia de neutrinos que de otro modo pasarían a través de la Tierra sin dejar un rastro detectable.

Partículas extraordinarias de un espacio profundo

IceCube es particularmente importante para estudiar neutrinos que llegan de fuentes cósmicas distantes con energías extraordinariamente altas. A diferencia de las enormes cantidades de neutrinos de relativamente baja energía producidos por el Sol, estos visitantes cósmicos poderosos son extremadamente raros. El observatorio detecta solo unas pocas docenas de los ejemplos más energéticos cada año.

Cuando uno de estos neutrinos interactúa con el hielo, puede producir un electrón o muón que se mueve rápidamente. Un muón, por ejemplo, genera un cono de luz Cherenkov a medida que viaja a través del hielo. Los científicos analizan el patrón resultante de luz para estimar la energía del neutrino y reconstruir la dirección de la que llegó.

Para Fuller, estos neutrinos excepcionalmente energéticos son uno de los descubrimientos más emocionantes de IceCube, ya que sus orígenes y los procesos físicos responsables de acelerarlos siguen siendo poco comprendidos.

"Algunos neutrinos de ultra alta energía detectados en IceCube tienen aproximadamente 10 mil millones de veces la energía de un típico neutrino del Sol. Uno detectado por un experimento similar tiene una energía 200 veces mayor. Realmente no sabemos de dónde vino ese neutrino", afirmó. "El hecho de que haya llegado aquí puede estar diciendo algo profundo sobre el universo. En ese sentido, Halzen realmente está en la frontera de la física de partículas fundamental experimental".

Los neutrinos podrían revelar secretos del Big Bang

El esfuerzo científico por entender los neutrinos se extiende mucho más allá de la Antártida. Los investigadores de la UC San Diego también están involucrados en otro gran observatorio que podría ofrecer nuevas perspectivas sobre estas partículas elusivas y la historia más temprana del universo.

Ubicado en lo alto del desierto de Atacama en Chile, el Simons Observatory está recopilando información sobre el fondo cósmico de microondas, la radiación antigua que queda del universo temprano. A menudo descrita como la luz más antigua del cosmos, esta radiación proporciona un valioso registro de las condiciones que existieron poco después del Big Bang.

La UC San Diego ayudó a establecer el observatorio, y Brian Keating, profesor distinguido de física en la universidad, se desempeña como investigador principal.

Aunque el observatorio estudia principalmente luz antigua, sus mediciones también pueden revelar información sobre neutrinos de las primeras etapas de la historia cósmica. El proyecto podría proporcionar una enorme cantidad de nuevos datos relacionados con estas partículas antiguas, ofreciendo potencialmente perspectivas que otros experimentos no pueden obtener.

Fuller cree que las observaciones anticipadas podrían mejorar la comprensión de los científicos sobre el Big Bang, la evolución temprana del universo y otras preguntas fundamentales sobre cómo se desarrolló el cosmos.

"El trabajo de Halzen, y el trabajo de aquellos que inspiró con su visión, fue fundamental para darle a la humanidad una nueva ventana al universo y a la misteriosa y notoriamente escurridiza neutrino", concluyó.