IceCube para niños
IceCube es un experimento científico muy especial que se dedica a estudiar el universo. Es un tipo de telescopio llamado telescopio de neutrinos, y está ubicado en la base Amundsen-Scott en el Polo Sur. Su construcción terminó en el año 2010.
El telescopio IceCube está formado por más de 5.000 sensores ópticos digitales. Estos sensores están colocados en un kilómetro cúbico de hielo, muy profundo bajo la superficie del Polo Sur.
Este observatorio, que pertenece a la Fundación Nacional para las Ciencias de Estados Unidos, detecta unas partículas diminutas llamadas neutrinos. Lo hace al captar unos pequeños destellos de luz azul. Esta luz se produce cuando un neutrino choca con una molécula de agua en el hielo, creando otras partículas que emiten esa luz especial, conocida como radiación de Cherenkov.
El objetivo principal de IceCube es encontrar neutrinos con mucha energía, que van desde 1011 hasta casi 1021 electronvoltios.
Al igual que un experimento anterior llamado AMANDA, IceCube usa miles de fotomultiplicadores. Estos son sensores de luz que se instalan a gran profundidad en el hielo de la Antártida, entre 1.450 y 2.450 metros. Los sensores se agrupan en "cuerdas" de sesenta módulos cada una, y se bajan por agujeros hechos en el hielo con un taladro de agua caliente.
En 2012, los científicos de IceCube anunciaron que habían detectado dos neutrinos con muchísima energía, más de 1000 teraelectronvoltios. Los llamaron Bert y Ernie en honor a personajes de televisión. Después, encontraron otros 26 neutrinos con más de 30 TeV de energía. Esta fue la primera vez que se detectaron neutrinos de tan alta energía que venían de fuera de nuestro Sistema Solar.
Contenido
¿Cómo se construyó el IceCube?
Debido al clima extremo del Polo Sur, la construcción de IceCube se hizo durante el verano austral, que va de noviembre a febrero. Los agujeros en el hielo se hacían con agua caliente. Una vez que se alcanzaba la profundidad deseada, los equipos tenían unas dos horas para colocar los detectores antes de que el agujero se congelara de nuevo. Cuando todo estuvo listo, los detectores quedaron distribuidos en un bloque de hielo de aproximadamente un kilómetro cúbico.
En 2005, se instaló la primera "cuerda" de detectores de IceCube. Con ella se recogieron suficientes datos para confirmar que los sensores funcionaban bien. Durante el verano austral de 2005-2006, se añadieron ocho cuerdas más, lo que convirtió a IceCube en el telescopio de neutrinos más grande del mundo. Los primeros neutrinos fueron detectados el 29 de enero de 2006.
En las temporadas siguientes, la construcción avanzó según esta tabla:
| Temporada | N.º de cuerdas añadidas |
N.º total de cuerdas |
|---|---|---|
| 2005 | 1 | 1 |
| 2005–2006 | 8 | 9 |
| 2006–2007 | 13 | 22 |
| 2007–2008 | 18 | 40 |
| 2008–2009 | 19 | 59 |
| 2009–2010 | 20 | 79 |
| 2010–2011 | 7 | 86 |
La construcción de IceCube se completó el 18 de diciembre de 2010.
¿Cómo detecta IceCube los neutrinos?
La sensibilidad del experimento
Los neutrinos no se pueden ver directamente. Para estudiarlos, los científicos obtienen información de las raras colisiones que ocurren entre un neutrino y un átomo en el hielo. Como el hielo es muy denso, casi todas las partículas que se detectan después de una colisión inicial son muones. Por eso, este experimento es muy bueno para detectar neutrinos muónicos que atraviesan su volumen.
Sin embargo, también hay muchos muones que no vienen de neutrinos, sino de rayos cósmicos que chocan con la atmósfera sobre el detector. La mayoría de estos muones se pueden descartar porque vienen de la parte superior del detector. La mayoría de los neutrinos "que suben" (que vienen de abajo) provienen de rayos cósmicos que golpean el lado opuesto de la Tierra. Pero una parte, que aún no se sabe cuánta, podría ser de origen astronómico. Para saber de dónde vienen, se calcula la dirección y la energía del neutrino que llega, usando las partículas que se producen en la colisión. Si hay más neutrinos de lo esperado en una dirección o con una energía específica, eso podría indicar que vienen de una fuente fuera de la Tierra.
Aunque se espera que IceCube detecte muy pocos neutrinos, se espera que los detecte con mucha precisión. Esto permitirá crear mapas para saber dónde están las principales fuentes de estos neutrinos.
Colisiones que se detectan
En el caso poco común de que un neutrino muónico o un antineutrino muónico choque con un núcleo de agua, se produce un muón. Si es un neutrino, un protón se convierte en un neutrón y el muón que se produce tiene carga positiva. Si la colisión es entre un antineutrino y un neutrón, se producen un protón y un muon con carga negativa.
En ambos casos, la carga eléctrica total se mantiene igual.
¿Cómo está montado el experimento?
Si el muón que se produce en esta interacción viaja más rápido que la luz en el hielo, emite radiación de Cherenkov. Esta luz especial es captada por los fotomultiplicadores que están dentro de cada módulo esférico de IceCube. Una vez que se capta la señal, se convierte en datos digitales y se le añade una marca de tiempo. Luego, esta información se envía a la superficie.
IceCube tiene 86 líneas de detectores, distribuidas en forma de hexágono en un área de un kilómetro cuadrado. De cada línea cuelgan verticalmente 60 esferas de vidrio de 50 pulgadas de diámetro. Hay una esfera cada 17 metros, a profundidades que van desde los 1450 m hasta los 2450 m. Esto suma un total de 5160 fotomultiplicadores distribuidos en un volumen de un kilómetro cúbico. Las condiciones de oscuridad a más de un kilómetro de profundidad y la ausencia de burbujas de aire en el hielo (debido a la presión) permiten que una señal muy débil sea detectada a distancia.
Esta red de fotomultiplicadores permite a los científicos reconstruir la dirección del muón que llegó. Esto se hace con un programa de computadora que usa la posición de cada módulo que detectó fotones y el momento exacto en que lo hizo. En teoría, también se puede obtener información sobre la energía del muón, ya que la cantidad de fotones Cherenkov producidos está relacionada con ella. La energía del muón está directamente relacionada con la del neutrino que lo originó.
En el caso de neutrinos de tipo electrón, en lugar de dejar un rastro, producen "cascadas" de partículas que emiten fotones en todas direcciones. En estos casos, es más difícil saber la dirección del neutrino que llegó, pero se puede obtener una mejor estimación de su energía.
¿Qué busca el experimento IceCube?
Objetivo principal
Después de varios años de funcionamiento, IceCube podría crear un mapa del flujo de neutrinos que vienen del hemisferio norte. Esto sería similar a los mapas que ya existen de otras formas de energía, como la radiación de fondo de microondas. De la misma manera, ANTARES (otro experimento parecido a IceCube, pero situado en el mar Mediterráneo) podría completar el mapa para el hemisferio sur.
Preguntas que podría ayudar a responder
- Origen de los rayos gamma
Cuando los protones chocan entre sí o con fotones, suelen producir unas partículas llamadas piones. Los piones con carga se transforman en neutrinos, mientras que los piones sin carga se transforman en rayos gamma. Es posible que el flujo de neutrinos y el flujo de rayos gamma coincidan en algunas fuentes, como los brotes de rayos gamma (GRB) y los restos de supernova. Esto podría darnos pistas sobre su misterioso origen. Para lograr esto, los datos de IceCube podrían usarse junto con los de otros detectores de rayos cósmicos como HESS o MAGIC.
- La teoría de cuerdas
La forma en que IceCube detecta las partículas, junto con su ubicación en el Polo Sur, podría permitir que el detector encuentre la primera evidencia experimental sólida de dimensiones adicionales, como las que predice la teoría de cuerdas. Según esta teoría, podría existir un tipo de neutrino "estéril" que podría viajar a través de estas dimensiones adicionales antes de regresar, lo que haría que pareciera que viajan más rápido que la velocidad de la luz. Quizás sea posible crear un experimento para probar esto en el futuro. Además, si los neutrinos de alta energía crearan agujeros negros muy pequeños (como sugieren algunos aspectos de la teoría de cuerdas), se produciría una "lluvia" de partículas. Esto resultaría en un aumento de neutrinos "que bajan" y una disminución de neutrinos "que suben".
El neutrino que cruzó los hielos de la Antártida
El 22 de septiembre de 2017, el observatorio de neutrinos IceCube detectó una partícula diminuta. Se cree que esta partícula se originó en un agujero negro supermasivo y, lanzada desde un "cañón gravitacional", logró atravesar el hielo de la Antártida casi a la velocidad de la luz. Esta detección activó una serie de alarmas en los detectores de IceCube. En cuestión de segundos, IceCube alertó a muchos satélites astronómicos, incluyendo el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi. Esa nave espacial encontró el origen del neutrino en una galaxia lejana llamada TXS 0506+056, cerca de la constelación Orión, que estaba experimentando un estallido muy fuerte de rayos X y rayos gamma. Los astrónomos señalaron que este descubrimiento podría dar pistas sobre el origen de las partículas espaciales de alta energía conocidas como rayos cósmicos. La principal idea es que provienen de los cuásares.
Otros proyectos similares
- ANTARES y KM3NeT son otros telescopios de neutrinos (uno ya construido y otro planeado por equipos internacionales). Estos exploran el cielo del hemisferio sur con sus detectores sumergidos en el mar Mediterráneo, a diferencia de IceCube que usa el hielo.
- Olga Botner, una física danesa, es una de las portavoces del experimento de neutrinos IceCube.
Véase también
En inglés: IceCube Neutrino Observatory Facts for Kids
