Telescopios submarinos de neutrinos: ANTARES y KM3NeT

Para quienes no conozcan proyectos como ANTARES y KM3NeT el título de este artículo puede resultar sorprendente: “¿telescopios submarinos?, ¿neutrinos?’’. Vamos a intentar arrojar algo de luz sobre este tema, si bien “arrojar luz” puede que no sea la expresión más adecuada, porque estos telescopios, precisamente, no son para ver la luz. Aunque en realidad sí que se basan en la detección de luz… bueno, todo esto se está liando demasiado. Vamos a empezar por el principio.

¿Qué son los neutrinos?

Los neutrinos son partículas elementales del Modelo Estándar, que es, en cierta manera, el equivalente en física de la tabla periódica de los elementos químicos. En la tabla periódica de química se llama “elementos químicos” a cosas que, como sabemos, no son elementales desde el punto de vista de la física, pues los átomos están hechos de protones, neutrones y electrones. Algunas de estas partículas tampoco son elementales: protones y neutrones están compuestos por quarks y gluones, mientras que los electrones, hasta donde sabemos hoy en día, sí están hechas solo de sí mismas. Pues bien, además de electrones, quarks y gluones también hay otras partículas elementales, entre ellas los neutrinos.

Las partículas del Modelo Estándar, con los tres neutrinos marcados en verde. Los más observadores veréis que en esta representación falta un miembro importante de la familia: el bosón de Higgs, del que no hablaremos hoy. Crédito: Symmetry Magazine

Los neutrinos son partículas realmente raras, pero no en el sentido de poco frecuentes (de hecho, son las partículas más abundantes en el Universo después de los fotones), sino porque sus propiedades son sorprendentes. No tienen carga eléctrica, apenas tienen masa y solo interaccionan a través de la llamada interacción débil que, como su nombre indica, es muy sutil. De hecho, por nuestro cuerpo están pasando cientos de miles de millones de neutrinos cada segundo sin dejar rastro. La gran mayoría de ellos vienen del Sol, donde se producen como resultado de los procesos de fusión nuclear que transforman el hidrógeno en helio, produciendo energía. También se producen, por ejemplo, en reactores nucleares y precisamente en un experimento junto a un reactor nuclear fue donde se detectaron por primera vez, hace sesenta años. Incluso nosotros emitimos neutrinos (¡varios cientos de millones al día!) dado que parte de nuestro cuerpo contiene elementos radiactivos que también producen neutrinos al desintegrarse. Pero los que nos interesan aquí son los producidos en otras estrellas y galaxias…

Astronomía de neutrinos

Durante siglos, la forma de observar el Universo ha sido usando la luz visible, es decir, la que nuestros ojos pueden detectar. La invención de los telescopios (ópticos) mejoró nuestra capacidad para observar esta luz. Más recientemente hemos construido también telescopios y antenas que nos permiten observar la luz no visible, es decir, luz hecha de fotones de menos energía (ondas de radio, microondas, infrarrojas) o de más energía (ultravioleta, rayos X, rayos gamma). Esto nos ha proporcionado muchísima información adicional. Desde hace unos cien años, también podemos detectar los llamados rayos cósmicos, es decir, partículas, básicamente protones y núcleos de helio, que nos llegan desde más allá del Sistema Solar.

Estas han sido por tanto nuestras fuentes de información “tradicionales”, que nos han permitido observar y estudiar el cielo con gran detalle. Sin embargo, tienen limitaciones. Por ejemplo, los rayos cósmicos, al ser partículas cargadas, son desviados por los campos magnéticos en nuestra galaxia, así que no podemos identificar qué fuentes los están produciendo. Por otro lado, los rayos gamma (luz de alta energía) y los rayos cósmicos son absorbidos en su propagación desde las fuentes astrofísicas que los producen. Por tanto, sería muy útil disponer de un “mensajero cósmico” que no tuviera estos problemas, alguna partícula neutra y que casi no interaccionara… ¡algo como los neutrinos! Ciertamente, los neutrinos pueden darnos información muy interesante para estudiar el cosmos. El reto es justamente el poder detectarlos.

ANTARES y KM3NeT

Construir telescopios de neutrinos no es trivial. La idea básica fue expuesta hace medio siglo, pero ponerla en práctica ha costado décadas. Esta idea se basa en que algunos (solo una pequeñísima fracción) de los neutrinos que nos llegan de otras estrellas o galaxias no pasan de largo, sino que interaccionan y producen un muon, que es otra partícula elemental parecida al electrón. Ese muon, que se mueve a gran velocidad, produce en un medio transparente lo que se llama luz de Cherenkov, una luz azulada que podemos detectar mediante unos aparatos llamados fotomultiplicadores, que vienen a ser los “ojos” de nuestro detector. Por lo tanto, colocando cientos de esos ojos en el mar (otra opción es el hielo antártico) podemos ver esos muones que nos indican que ha pasado un neutrino y en qué dirección venía.

Este es el aspecto que puede tener un muon moviéndose a través del agua del océano mientras emite un cono de azulada luz de Cherenkov. Los fotomultiplicadores de ANTARES son nuestros ojos en este mundo abisal. Crédito: ANTARES

Como los rayos cósmicos también producen muones cuando llegan a la atmósfera (lo cual enmascara la señal que queremos detectar) es necesario situar estos fotomultiplicadores a gran profundidad. Eso es justamente lo que hemos hecho en el proyecto ANTARES, que es un detector situado a 40 kilómetros de Tolón, en la costa azul francesa, a 2500 metros de profundidad. En total se han instalado unos 900 de esos ojos. Desde 2008 hemos estado tomando datos y hemos detectado miles de neutrinos… pero no de los que nos interesan. Los neutrinos que hemos visto son los que producen los rayos cósmicos en la atmósfera, no los que vienen directamente de las estrellas. Irónicamente, entender el origen de los rayos cósmicos es justamente uno de los objetivos fundamentales de estos detectores, ya que esperamos que los mismos procesos en los que se originan los rayos cósmicos produzcan también neutrinos. Detectando estos neutrinos sí que obtenemos información de su origen porque no son desviados por los campos magnéticos.

En tanto en cuanto, otro detector llamado IceCube, basado en la misma idea pero a una escala mucho mayor (de un kilómetro cúbico, es decir, 20 veces más grande que ANTARES) instalado en el hielo del Polo Sur, ha empezado por fin a observar estos neutrinos cósmicos. Sin embargo, en el hielo es más difícil reconstruir la dirección de los neutrinos. Además, tampoco se puede observar bien nuestra galaxia desde el Polo Sur, ya que es mejor mirar los neutrinos que vienen del otro lado de la Tierra. Los neutrinos son capaces de atravesar el planeta entero, mientras que los muones atmosféricos son absorbidos. Por tanto, lo ideal es construir un telescopio de neutrinos en el mar y en el hemisferio norte (como ANTARES) pero con el tamaño de IceCube. Ese proyecto se llama KM3NeT y su construcción ya ha comenzado cerca de la costa de Sicilia. Un grupo de científicos del IFIC ha participado desde el principio tanto en ANTARES como en KM3NeT/ARCA, diseñando y construyendo algunos de sus elementos y analizando los datos producidos. Los próximos años prometen ser muy interesantes conforme se siga abriendo esta nueva ventana al Universo. Por cierto, también se está instalando en las costas francesas un “hermano pequeño” de KM3NeT/ARCA, llamado KM3NeT/ORCA, para medir cosas como la jerarquía de masas de los neutrinos y observar la materia oscura, pero eso lo dejamos para otra entrada…

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Autor: Juande Zornoza

Juande Zornoza trabaja como investigador Ramón y Cajal en el IFIC, donde es Investigador Principal del grupo ANTARES-KM3NeT (telescopios de neutrinos). Ha participado en la colaboración IceCube durante su estancia postdoctoral en Madison (Wisonsin, EE.UU.)

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