Francis en #rosavientos: Los neutrinos vuelven a ser noticia

Siguiendo este enlace puedes escuchar el audio de mi sección Eureka en el programa La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Como siempre, una transcripción libre y algunos enlaces.

Los neutrinos han vuelto a ser noticia gracias a un experimento situado en el polo Sur llamado IceCube. Los físicos han bautizado a los dos más energéticos con nombres de Barrio Sésamo, Epi y Blas ¿por qué? Los dos neutrinos más energéticos observados hasta el momento merecían recibir un nombre de pila y los físicos de IceCube (el mayor detector de neutrinos del mundo situado la Antártida, en el Polo Sur) han bautizado los dos neutrinos electrónicos ultraenergéticos cuya energía es superior a un peta-electrón-voltio, unas mil más energía que la de los neutrinos que se producen del LHC del CERN, con los nombres de Ernie y Bert, los nombres en inglés de Epi y Blas, en homenaje a los protagonistas de la serie infantil Barrio Sésamo. El motivo es un sketch en Barrio Sésamo en el que Epi mostraba sus “ice cubes” (sus cubitos de hielo) a Blas. Bert (o Blas) se observó el 9 de agosto de 2011 y tiene una energía de 1040 TeV y Ernie (Epi) se observó el 3 de enero de 2012 y con una energía de 1140 TeV. Como curiosidad, Epi fue detectado cuando estaba en la sala de control del experimento un físico español, Carlos Pobes (Univ. Zaragoza-CSIC), que en su blog “El día más largo de mi vida” nos cuenta todos los detalles de ese descubrimiento. Además de estos dos neutrinos, se han observado otros 26 de alta energía, más de 30 TeV, distribuidos por todo el cielo, lo que parece indicar que se trata de neutrinos cuyo origen podría ser extragaláctico, aunque esto aún no está confirmado. Hay que recordar que en las colisiones de protones en el LHC la energía alcanzada era de sólo 8 TeV en 2012 y que cuando se inicien en 2015 se alcanzarán los 14 TeV. Las energías de los neutrinos que hemos observados son realmente descomunales.

Dibujo20131127 ice cube - south pole - electronic neutrino

¿Cómo detecta los neutrinos el experimento IceCube? Los neutrinos son partículas que algunos califican de “fantasmagóricas” porque interaccionan muy poco con la materia y para observarlos hay que usar enormes detectores. IceCube utiliza como detector el propio hielo de la Antártida para observar los neutrinos ultra-energéticos en las escala de energías de TeV a PeV que colisionan contra los átomos del agua del hielo produciendo una cascada de partículas de muy alta energía que se mueven por el hielo a una velocidad superior por el hielo a una velocidad superior a la velocidad de la luz en el hielo produciendo radiación de tipo Cherenkov, el fenómeno óptico análogo al boom sónico emitido por un avión supersónico. Para detectar esta luz de Cherenkov, IceCube utiliza 5.160 fotodectectores colgados de 86 cables distribuidos en un kilómetro cúbico de hielo de la Antártida. El experimento es enorme y está enterrado a una profundidad entre 1.450 y 2.450 metros de profundidad. Cada uno de los fotodetectores contiene un fotomultiplicador de alta precisión; cada vez que un fotón (partícula de luz) choca con una lámina delgada (fotocátodo) arranca un electrón por efecto fotoeléctrico, que le dio el Premio Nobel a Einstein. Estos electrones son acelerados y chocan contra una segunda lámina que produce 4 o 5 electrones extra. Repitiendo este proceso unas cuantas veces se logra que en el ánodo se recojan varios millones de electrones en unos pocos nanosegundos. De esta manera se amplifica la señal muy débil de un sólo fotón.

Se ha dicho en prensa que son neutrinos extraterrestres o neutrinos cósmicos, ¿se sabe cuál es el origen de estos neutrinos? Los 28 neutrinos de ultraenergía que se han detectado son los primeros neutrinos que se detectan desde 1987 cuyo origen está fuera del Sistema Solar. Estos neutrinos tienen una energía de más de un millón de veces mayor que la de los neutrinos detectados en 1987 procedentes de la supernova 1987A en la Gran Nube de Magallanes (una galaxia satélite de la Vía Láctea). Los 28 neutrinos observados por IceCube provienen de diferentes lugares del cielo; algunos de la región del plano galáctico, luego su origen podría ser galáctico; pero muchos otros están distribuidos por casi todo el cielo (fuera del plano galáctico). La precisión angular de IceCube no es suficiente para poder identificar la posible fuente puntual de estos neutrinos en el cielo, se necesita un detector aún más grande. Aún así, el número de neutrinos observados y su energía parece indicar que provienen de fuentes en galaxias distantes. La única forma de encontrar estas fuentes es buscar explosiones de rayos gamma mediante telescopios espaciales y terrestres que coincidan en tiempo y posición angular con los neutrinos. No es fácil lograrlo y podrían pasar muchos años sin que esta coincidencia sea observada. Esperemos que haya suerte. Pero para muchos expertos, estos 28 neutrinos ultraenergéticos observados por IceCube son el inicio real de la astronomía de neutrinos que podría darnos mucha información del cosmos a grandes distancias, pues los neutrinos interaccionan tan poco con la materia que nos permiten explorar los confines más alejados.


4 Comentarios

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Daniel RochaDaniel Rocha

Suppose those neutrinos come from elastic collisions from a fixed target of a moving proton against a fixed one.

If the exit neutrino has about the same energy of the scattered proton, we’d have

E~(10^6GeV/2GeV)^2GeV
E~10^11-12 GeV.

Sucks, we missed Planck scale by a mere 3.5 orders of magnitude.

Alejandro González (@Evocid)Alejandro González (@Evocid)

Hay una cosa que no entiendo, imagino que se deberá a mi desconocimiento sobre cómo funciona el IceCube. Según tengo entendido, la dirección del neutrino se estima por la señal que deja, ligeramente ovalada. Siendo así, un mayor tamaño del detector aumentaría el número de neutrinos detectados, pero no veo cómo pudiera mejorar la precisión angular.

Un saludo.

Francisco R. Villatoro

Alejandro, determinar la dirección de incidencia del neutrino con precisión requiere observar la traza del primer muón que produce el neutrino en el propio volumen del detector; cuando este primer muón se produce en el hielo fuera del detector, no es posible determinar la dirección de incidencia del neutrino (en IceCube se diferencian entre eventos “track” y “shower” según se observe o no, resp., la traza del muón). Por ello se requiere un detector más grande para incrementar el número de eventos tipo “track”.

http://francis.naukas.com/files/2013...rection.png

Esta imagen muestra un evento tipo “track” que permite reconstruir la dirección de incidencia del neutrino.

Alejandro González (@Evocid)Alejandro González (@Evocid)

Evidentemente estaba equivocado en lo de “ligeramente ovalada”. Gracias por la elocuente imagen.

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