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3 de Mayo de 2021
Astronomía

En busca de neutrinos ultraenergéticos

Los astrónomos están recurriendo a las ondas de radio para tratar de detectar los neutrinos con más energía del universo, lo que abriría una nueva ventana a la física cósmica extrema.

El observatorio IceCube, en la Antártida, es el mayor detector de neutrinos del mundo. Su sucesor, IceCube-Gen2, incorporará 200 estaciones de antenas de radio. [Felipe Pedreros, IceCube/NSF]

Desde su descubrimiento en la década de 1960, los rayos cósmicos de ultraalta energía han cautivado a los científicos, que se preguntan de dónde proceden. Como ocurre con todos los rayos cósmicos, podría decirse que su nombre es engañoso: no son «rayos» de radiación, sino partículas subatómicas (como protones o incluso núcleos enteros) que atraviesan el espacio. Su enorme energía se debe a que se mueven a velocidades muy altas, cercanas a la de la propia luz.

Para considerar que un rayo cósmico es «de ultraalta energía», debe poseer una energía cinética del orden de un trillón de electronvoltios, o 1000 petaelectronvoltios (PeV), aproximadamente la centésima parte de la que se precisa para pulsar una tecla de ordenador. Pero conferir esa energía a un objeto tan diminuto (un billón de veces más pequeño que una mota de polvo) supera con creces las posibilidades de nuestros aceleradores, que, en el mejor de los casos, consiguen producir partículas con una energía similar a la de un mosquito en vuelo.

Y por asombrosos que puedan resultar los rayos cósmicos de ultraalta energía típicos, en ocasiones muy excepcionales los investigadores han logrado observar algunos realmente increíbles, con energías hasta 300 veces mayores: la friolera de 300.000 PeV. Para hacernos una idea, esto significa que un proyectil subatómico especialmente veloz procedente del espacio profundo puede poseer tanta energía como una pelota de tenis tras un buen raquetazo.

Los astrofísicos aún no saben qué proceso acelera esas partículas a velocidades tan absurdas, pero ansían averiguarlo. Los únicos sospechosos verosímiles son eventos verdaderamente catastróficos, como la muerte explosiva de las estrellas masivas o el voraz banquete de los agujeros negros supermasivos situados más allá de la Vía Láctea. Y eso significa que esas extraordinarias partículas deben ser mensajeras llegadas de las profundidades del espacio extragaláctico y portar secretos de la física más extrema del universo.

Sin embargo, hay un gran problema. Al tratarse de partículas cargadas, los rayos cósmicos son desviados por cualquier campo electromagnético con el que entren en contacto durante su viaje, lo que hace casi imposible descubrir su verdadero origen celeste. Por suerte, los investigadores han descubierto que la naturaleza ofrece una vía alternativa: estudiar los neutrinos, partículas eléctricamente neutras que creemos que se producen en las mismas fuentes que los rayos cósmicos de mayor energía.

«Para mí los neutrinos son los mensajeros perfectos», valora Abigail Vieregg, astrofísica de la Universidad de Chicago. «Son únicos porque llegan desde regiones remotas del universo sin interactuar con nada ni ser desviados por los campos magnéticos que encuentran en su camino.»

Neutrinos para explorar el universo

Un neutrino promedio tiene un 50 por ciento de probabilidades de atravesar un año luz de plomo (9,5 billones de kilómetros de denso metal) y emerger completamente indemne. Esa profunda indiferencia confiere a estas partículas una ventaja sobre otros mensajeros: como casi nunca interactúan con la materia, los neutrinos apuntan directamente al lugar de donde vienen. Pero se trata de un arma de doble filo. Una consecuencia inevitable de atravesar el universo como si fuera transparente es que los neutrinos suelen transitar por los detectores de la Tierra del mismo modo: sin dejar rastro.

Para aumentar las opciones de ver un neutrino, los científicos deben construir detectores gigantescos, como el experimento IceCube en el Polo Sur, que consta de un conjunto de sensores ópticos [para longitudes de onda visibles y del ultravioleta cercano] instalados en un kilómetro cúbico de hielo antártico. IceCube, el mayor observatorio de neutrinos del mundo, busca los destellos de luz que emiten las cascadas de partículas cargadas generadas cuando los neutrinos chocan contra las moléculas del hielo. En 2018, el experimento anunció la detección de un neutrino asociado a la fulguración de un enorme blázar. Y, en febrero, observó indicios de un neutrino procedente de una estrella desgarrada por un agujero negro.

Pero a las energías más altas, «IceCube se queda corto», lamenta Vieregg, quien señala que harían falta al menos 100 kilómetros cúbicos de hielo para tener una probabilidad razonable de observar las huellas ópticas de los neutrinos de ultraalta energía, porque las partículas aceleradas a velocidades tan extremas son muy infrecuentes. El problema radica en el espacio entre las unidades de detección: la luz sólo puede viajar unas decenas de metros en el hielo antes de dispersarse o ser absorbida, por lo que el conjunto de sensores ópticos debe estar densamente empaquetado, y eso impone severas limitaciones sobre el posible tamaño del detector.

Así pues, seguimos sin descubrir las fuentes de las partículas de mayor energía porque un observatorio como IceCube de 100 kilómetros cúbicos supera con creces nuestras posibilidades técnicas y económicas. En su afán por observar el primer neutrino de ultraalta energía, los astrofísicos han cambiado de enfoque para centrarse en un método más rentable: la radiodetección. Las ondas de radio viajan en el hielo cientos de metros más que la luz visible, de modo que se puede construir un conjunto más disperso de sensores para cubrir un volumen mucho mayor a un coste muy inferior.

«La radiodetección es el futuro», asegura Tonia Venters, astrofísica del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA. «Lo veo como un método complementario con el potencial de hacer cosas que nos están costando mucho con otras técnicas de detección.»

La señal de radio de los neutrinos

A energías ultraaltas, las emisiones de radio generadas por las cascadas de partículas cargadas en materiales como el hielo son aún más intensas que la señal visible, por lo que constituyen una manera atractiva de explorar el universo extremo. Este fenómeno se conoce como efecto Askaryan, en honor al físico armenio-soviético Gurgen Askaryan, quien lo predijo en 1962.

Pero los primeros intentos de observar el efecto Askaryan resultaron infructuosos, lo que llevó a un escepticismo generalizado respecto a la posibilidad de usarlo en la detección de partículas ultraenergéticas. «Había muchas dudas sobre si era un efecto real», rememora Peter Gorham, astrofísico de la Universidad de Hawái en Mānoa. «Pocos físicos de altas energías se lo tomaban en serio.»

Sin embargo, un pequeño grupo de irreductibles físicos perseveró, y el campo alcanzó un punto de inflexión en el año 2000, cuando los investigadores del Centro del Acelerador Lineal de Stanford (SLAC) confirmaron el efecto Askaryan usando un contenedor de arena del tamaño de un tráiler.

Ahora, casi 60 años después de la predicción de Askaryan, la detección de neutrinos en frecuencias de radio acaba de despegar. «La nueva física que podría surgir de aquí es algo con lo que ni siquiera podemos soñar», apunta Gorham, que formó parte del equipo del SLAC. «Aprenderemos sobre la naturaleza de los aceleradores cósmicos y observaremos regiones del espacio de energías a las que no podemos acceder de ningún otro modo.»

La próxima generación de experimentos de radio

Un esfuerzo pionero en la radioastronomía de neutrinos fue ANITA, un experimento dirigido por Gorham que comenzó a recoger datos en 2006. Constaba de un conjunto de antenas (actualizadas de forma periódica) colgadas de un globo gigante de helio, y llevó a cabo cuatro campañas de observación de unos 30 días cada una a lo largo de un período de 10 años. En ellas, el conjunto se elevaba varios kilómetros en el aire para escudriñar la capa de hielo antártica en busca de signos de emisiones de radio producidas por impactos de neutrinos ultraenergéticos.

<span>En esta imagen de 2016, el conjunto de antenas del experimento ANITA es transportado por una grúa hasta el lugar de lanzamiento, donde espera el globo de helio que lo transportará. [</span><a href="https://www.nasa.gov/feature/balloons-on-ice-launch-2-takes-flight-in-antarctica">NASA</a><span>]</span>

En enero, la NASA decidió financiar el proyecto PUEO (Carga Útil para Observaciones de Ultraalta Energía), un experimento de nueva generación que se basará en el legado de ANITA. La gran altitud confiere a los detectores suspendidos de globos, como ANITA y PUEO, una ventaja única sobre los experimentos realizados en tierra, ya que pueden vigilar más de un millón de kilómetros cuadrados de hielo en sus búsquedas de neutrinos. El primer vuelo de PUEO está previsto para 2024, y el experimento incorporará diversos avances tecnológicos con respecto a ANITA que aumentarán su sensibilidad a energías altas y le permitirán detectar una mayor tasa de eventos de neutrinos.

Sin embargo, el mayor campo de visión que ofrecen los globos se ve contrarrestado por otro efecto: precisamente porque los conjuntos de antenas vuelan tan por encima del hielo, es posible que no logren captar las emisiones de radio asociadas a los neutrinos cuando la señal es más débil. Otro inconveniente son las condiciones meteorológicas adversas, que alteran de manera habitual cualquier tipo de trabajo con globos desarrollado sobre la capa de hielo de la Antártida.

Para abordar esos problemas, los astrofísicos están adoptando un enfoque que trata de aprovechar lo mejor de ambos mundos: crear conjuntos de antenas de radio dentro de grandes volúmenes de hielo que puedan trabajar en tándem con los experimentos basados en globos, a fin de cubrir más energías. Tras llevar a cabo una serie de intentos más modestos, los investigadores se están preparando para instalar el Radioobservatorio de Neutrinos en Groenlandia (RNO-G), un experimento en el interior del hielo dirigido por la Universidad de Chicago.

«RNO-G será el mayor detector de radio jamás construido en el hielo, con 35 estaciones de antenas que se instalarán en los próximos tres años», detalla Stephanie Wissel, astrofísica de la Universidad Estatal de Pensilvania que participa en la construcción del observatorio. Muchos investigadores son optimistas y creen que RNO-G pronto permitirá vislumbrar el universo extremo gracias a la primera detección de un neutrino de ultraalta energía.

Pero si no fuera así, la idea de los conjuntos de radio en el interior del hielo se ampliará para usarla en el sucesor de IceCube, IceCube-Gen2, una propuesta que incluiría 200 estaciones de antenas en torno a un sistema óptico mejorado. «IceCube puede detectar neutrinos de hasta unos 10 PeV. Al añadir el componente de radio, esa cifra subirá a miles o incluso cientos de miles [de PeV]», expone Vieregg, que es la investigadora principal tanto de PUEO como de RNO-G. Ese mayor alcance energético supone solo el 10 por ciento del presupuesto total de IceCube-Gen2, un impresionante guiño a la rentabilidad de la detección por radio.

Un método de detección más novedoso buscará las ondas de radio procedentes de lluvias de partículas cargadas producidas en el aire, en vez de en el hielo. Tales cascadas pueden ocurrir cuando un neutrino interacciona bajo la superficie del planeta, pero cerca de ella: si se dan las condiciones adecuadas, los neutrinos que penetran en la Tierra con una dirección muy horizontal pueden crear partículas de alta energía que escapan a la atmósfera, donde se desintegran y generan extensas cascadas que emiten ondas de radio.

Esa es la estrategia del Conjunto Gigante de Radio para la Detección de Neutrinos (GRAND), que tiene un nombre adecuado para un experimento de su enorme tamaño. Organizada y financiada por instituciones de Francia, China, Países Bajos y Brasil, la colaboración internacional GRAND espera descubrir el origen de los rayos cósmicos de ultraalta energía con una ambiciosa propuesta: un conjunto de antenas de radio que ocuparía 200.000 kilómetros cuadrados (una superficie similar a la de la isla de Gran Bretaña).

«La idea no es construir un conjunto monolítico, sino 20 conjuntos con 10.000 antenas cada uno», indica Mauricio Bustamante, astrofísico de la Universidad de Copenhague y coautor de la propuesta de GRAND. La ubicación de esos conjuntos es importante, explica, porque deben estar en zonas «radiosilenciosas», es decir, lejos de fuentes artificiales que generen emisiones de radio importantes. De momento, los investigadores de GRAND han identificado algunos lugares remotos en los montes Tian de Asia central, y tienen previsto seguir buscando otros emplazamientos en todo el mundo.

Con una variedad de experimentos de radio de nueva generación ya en camino, la comunidad de astrofísicos es un hervidero de ideas sobre lo que puede deparar el futuro una vez que descubran uno de los mensajeros más energéticos y esquivos de la naturaleza. «Espero con impaciencia el hallazgo del primer neutrino de ultraalta energía», confiesa Wissel. «No estoy segura de qué experimento lo logrará, pero abrirá una nueva ventana al cosmos con grandes posibilidades de cara a otros descubrimientos.»

Y para los científicos familiarizados con la historia del campo, la exploración de nuevas fronteras cósmicas constituye una oda al pasado: en el siglo XX, la física floreció estudiando las partículas que venían del cielo. «Es un giro natural de los acontecimientos que recurramos de nuevo a los aceleradores cósmicos para averiguar más de lo que pueden decirnos nuestras propias máquinas», concluye Bustamante. «Ese es el propósito de estudiar las partículas más energéticas de nuestro universo.»

Katrina Miller

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