Cazando neutrinos en la Antártida

Marco Navarro
Marco Navarro

Los neutrinos son algunas de las partículas más extrañas que hemos encontrado hasta ahora. Aproximadamente 100 mil millones de ellos viajan cada centímetro cuadrado en la Tierra por segundo, pero su interacción es tan baja que pueden atravesar fácilmente todo el planeta. Así se ganaron el nombre popular de “partícula fantasma”. Los neutrinos son parte de muchos problemas no resueltos en física. Todavía no conocemos su masa e incluso podrían ser sus propias contrapartes, mientras que sus hermanos podrían formar la materia oscura en nuestro Universo. Además, son valiosos mensajeros de los fenómenos astrofísicos más extremos como las supernovas y los agujeros negros supermasivos.

Los neutrinos en la Tierra tienen diferentes orígenes: hay neutrinos solares producidos en los procesos de fusión de nuestro sol, neutrinos atmosféricos producidos por los rayos cósmicos que golpean nuestra atmósfera, neutrinos de reactores artificiales creados en las desintegraciones radiactivas de reactores nucleares de origen natural, geoneutrinos. que ocurren dentro de la tierra, y neutrinos astrofísicos producidos fuera de nuestro sistema solar durante las supernovas y otros procesos extremos, la mayoría de los cuales aún se desconocen.

El mejor detector jamás construido

Diagrama esquemático del Observatorio de Neutrinos IceCube.
Crédito: Nasa-verve – IceCube Science Team – Francis Halzen, Departamento de Física, Universidad de Wisconsin, CC BY 3.0

Debido a que los neutrinos no tienen carga y solo se ven afectados por la interacción débil (y la gravedad), son difíciles de detectar. Algunos experimentos utilizan grandes tanques llenos de agua limpia y equipados con sensores de luz como detectores. Los neutrinos pueden agotar los electrones de las moléculas de agua, que viajarán más rápido que la velocidad de la luz en ese medio y, por lo tanto, producirán la luz Cherenkov, que también es responsable del brillo azul saludable que sale de los reactores nucleares. El experimento IceCube se beneficia de este método de detección a una escala mucho mayor. En lugar de construir un enorme tanque de agua, enterraron 86 cuerdas equipadas con un total de 5.160 detectores de luz hasta 2.500 m de profundidad en el hielo antártico. El volumen total del detector es de un kilómetro cúbico, que corresponde a una masa objetivo de una gigatonelada y, por lo tanto, es el detector más grande jamás construido.

Neutrinos de agujeros negros supermasivos

Estructura interna de una galaxia con núcleo galáctico activo.
Crédito: Rothwild, CC BY-SA 3.0

El gran éxito de IceCube fue la primera detección de neutrinos astrofísicos de alta energía en 2013. Antes de eso, los únicos neutrinos de fuentes astrofísicas fuera de nuestros sistemas solares se detectaron durante una supernova en 1987. Durante la observación de IceCube, no estaba claro dónde Estos neutrinos se originaron, pero eso cambió en 2017, cuando otro evento de neutrinos de alta energía podría atribuirse a un conocido blazer de rayos gamma. Blazar está formado por un núcleo galáctico activo (AGN), la región central de una galaxia que se teoriza para contener un agujero negro supermasivo. Una masa que cae en el agujero negro produce un par de chorros relativistas que pueden verse como una fuente brillante en todo el espectro electromagnético cuando están dirigidos al observador. Recientemente, investigadores rusos han logrado otros avances en la identificación de las fuentes de neutrinos astrofísicos. Compararon los eventos de IceCube con datos de una red de radiotelescopios y descubrieron que están asociados con varios AGN de ​​luz de radio. La astronomía de mensajería multimedia como esta es un campo tenso que se ha vuelto aún más interesante a medida que agregamos ondas gravitacionales al juego. Para permitir la observación coincidente de neutrinos, radiación electromagnética, rayos cósmicos y ondas gravitacionales de fuentes astrofísicas, la Red de mensajería multimedia de astrofísica (AMON) se une a varios telescopios de todo el mundo.

Detección neutra por pulsos de radio

Principio revelador del experimento ANITA.
Crédito: La colaboración de ANITA

IceCube no es el único experimento de neutrinos en el Polo Sur. La Antena Antártica de Paso Impulsivo (ANITA) es un experimento apoyado por un globo diseñado para detectar ondas de radio creadas por neutrinos de muy alta energía que chocan con el hielo, conocido como efecto Askaryan. ANITA detecta pulsos de radio que viajan hacia arriba en la atmósfera a medida que son producidos por neutrinos que viajan a través de la tierra. Los rayos cósmicos que vienen desde arriba también pueden producir un pulso de radio ascendente cuando la señal se refleja en la superficie del hielo; sin embargo, durante la reflexión cambia la polarización. Por lo tanto, ANITA puede distinguir estos pulsos de radio observando la fase de la señal detectada.

Señal inesperada

El experimento ANITA-IV en la Antártida, antes de ser lanzado en un globo.
Crédito: Drummermean, CC BY-SA 4.0

El experimento se hizo popular cuando detectaron dos eventos anormales durante dos vuelos separados en 2006 y 2014. Ambos eventos coincidieron con una dispersión ascendente de pulsos de radio producidos por neutrinos que viajan a través de la tierra. El problema era que los ángulos de llegada medidos y las energías de los neutrinos eran mucho más altos que el flujo de neutrinos esperado. Los neutrinos deben viajar a través de más de 5700 km de tierra y tener energías de ~ 0,5 EeV. Dado que conocemos el flujo de neutrinos en estas energías de otros experimentos, pero también de la propia ANITA y su interacción, simplemente no había forma de que pudieran sobrevivir viajando a través de tanta roca.

Una posible explicación fue que los neutrinos provenían de una fuente puntual intensa. Algún acelerador cósmico, como un agujero negro supermasivo que expulsa un haz estrecho de neutrinos de alta energía. Esta explicación fue negada a principios de este año por la colaboración de IceCube, que buscó tales fuentes puntuales sobre los eventos de ANITA pero no encontró nada. Si los dos eventos de ANITA vinieran de una fuente puntual, IceCube debería haber detectado muchos más, lo que no fue así.

Las únicas dos explicaciones restantes para los eventos anormales fueron algún error sistemático o nueva física. De hecho, cuando apareció por primera vez el resultado de ANITA, un compañero saltó el arma y tuiteó que pensaba que acababan de romper el modelo normando de física de partículas. Este es el comportamiento típico de los científicos que tienen la impresión de que han hecho un gran descubrimiento inesperadamente y no se les puede culpar por tanta emoción. Sin embargo, en muchos casos, causa vergüenza cuando se demuestra que el resultado es solo accidental. Algunos ejemplos recientes de esto incluyen las falsas detecciones de neutrinos superlumínicos y firmas de ondas gravitacionales en el fondo cósmico de microondas.

Cuando los periódicos sensacionalistas interpretan la física

En abril, New Scientist publicó un artículo sobre la anomalía ANITA, donde citaron un artículo anterior de 2018 de otro grupo de físicos teóricos que interpreta los eventos como evidencia de una teoría en la que nuestro universo es la imagen especular de otro universo que existía antes del Big Bang. . La historia fue recogida inmediatamente por varios periódicos de chismes como el Daily Star del Reino Unido bajo el titular

“Los científicos de la NASA detectan un universo paralelo ‘al lado del nuestro’, donde el tiempo corre hacia atrás”

Uno puede ver inmediatamente lo que está mal en este titular. Primero conecta a la NASA, que funda ANITA con el artículo teórico de un grupo completamente diferente. En segundo lugar, pretende que la teoría fuera un hecho en lugar de ser solo una de las muchas interpretaciones de los datos y ni siquiera muy probable. Los investigadores de ANITA de la Universidad de Hawai obviamente estaban molestos por la cobertura de los medios falsos y emitieron un comunicado de prensa para explicar que de ninguna manera se estaban adhiriendo al artículo teórico sobre el universo paralelo. Cabe señalar que el artículo teórico fue escrito por físicos estimados y no debe considerarse sombrío.

Sin duda, esta no es la primera vez que los medios de comunicación toman la especulación científica al pie de la letra. El descubrimiento de la materia oscura, por ejemplo, ha sido anunciado falsamente varias veces por los principales medios de comunicación durante los últimos años, cuando un experimento publicó un resultado que contenía algunos eventos inexplicables. Al igual que los investigadores de ANITA, también en estos casos, los científicos tuvieron mucho cuidado de no hacer una afirmación sobre el descubrimiento en sus publicaciones. Por lo general, esto requiere la confirmación mediante otro experimento, ya que el descubrimiento del bosón de Higgs tuvo que ser visto por los detectores ATLAS y CMS. Los periodistas se preocupan menos por tales afirmaciones porque simplemente ofrecen mejores titulares.

Entonces, ¿cuál es la explicación más probable del resultado de ANITA? Hay muchos artículos que intentan explicar los eventos con escenas físicas modelo fuera de lo común, pero algunas personas también han ofrecido soluciones más seculares. Un grupo de investigadores señaló que las señales de radio reflejadas ligeramente por debajo de la superficie glacial pueden ocurrir sin inversión de fase. También existe una posible explicación para la interacción de los rayos cósmicos con el campo magnético de la Tierra. Experimentos futuros, como la carga útil propuesta para observaciones de energía ultra alta (PUEO), el sucesor del programa ANITA, pueden arrojar algo de luz sobre este tema. Además, la colaboración de ANITA todavía está analizando los datos de su último vuelo, y estamos esperando ansiosamente los resultados.

Imagen estándar: Universidad de Madison Wisconsin.

  • Ostraco dice:

    “Los neutrinos son algunas de las partículas más extrañas que hemos encontrado hasta ahora. Aproximadamente 100 mil millones de ellos viajan cada centímetro cuadrado en la Tierra por segundo, pero su interacción es tan baja que pueden atravesar fácilmente todo el planeta”.

    Sea algo si eso pudiera utilizarse. Energía excesiva en todas partes.

    • RW versión 0.0.3 dice:

      Todo lo que necesita es un escudo de neutrinos, y lo coloca sobre media rueda llena de cubos de agua, un simple giro sin fricción en el medio y se volverá loco si descuida la resistencia del aire y asume que el pollo es una esfera.

      • Steven dice:

        Pensé que el caballo era una esfera. Supongo que el pollo es una esfera más pequeña.

        • RW versión 0.0.1 dice:

          En este caso estamos tratando con el pollo, no con el caballo estándar SI.
          https://video-images.vice.com/_uncategorized/1491344568677-Yang-Maoyuan-image-2.jpeg
          Lo que explica cómo un caballo de tiro puede alcanzar los 15 CV.

          • Ren dice:

            ¡Aquí hay un caso importante de hinchazón!
            ¡Aconsejo a la gente que no esté cerca cuando pasa gases!

          • Ostraco dice:

            Esto es lo que sucede cuando My Little Pony ™ es cortés con sus funciones corporales. ¡Advertencia! NO lo use como piñata.

    • Nathan dice:

      100 mil millones parece un gran número, pero ¿lo es realmente? Es decir, ¿cuánta energía hay realmente en 100 mil millones de neutrinos?

      • RW versión 0.0.3 dice:

        Sobre muchos …

        https://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/c/c8/Solar_neutrino_flux_spectrum.png

    • John Bump dice:

      https://journals.le.ac.uk/ojs1/index.php/pst/article/view/859 es un artículo hermoso que detalla cómo impulsar naves espaciales mediante la presión de los neutrinos en las velas.
      Aquí está la cotización monetaria: “Encontramos que un grosor de 34.000 años luz sería necesario si se usara una hoja de osmio, mientras que la materia estelar de neutrones podría alcanzarlo a 189 km de grosor. Concluimos que una vela de neutrinos no es método práctico de propulsión. “

      Y, por supuesto, el xkcd en cuestión: qué tan cerca debes estar de una supernova para obtener una dosis letal de neutrinos. https://what-if.xkcd.com/73/

    • Hirudinea dice:

      Si pudieran producirse, modularse y recibirse, serían un gran comunicador, le gustaría llamar a alguien en Australia a través de su teléfono, no hay problema, simplemente llámelo a través del centro mundial.

      • Ostraco dice:

        Revolucione Internet. Elimine todo monopolio de la comunicación de los negocios. Molesta a todo gobierno totalitario. La red oscura prosperará con la ayuda de esta moneda imposible de rastrear y envío y entrega mágicos.

      • Daniel Matthews dice:

        Ya estaba hecho, a modo de preparación. Realizado en un lugar y detectado en otro. Entonces podría modular el flujo y tener un enlace de comunicación con una señal. La tasa de bits puede ser muy baja, no adecuada para sonido en tiempo real.

        • Ostraco dice:

          Un gasto clave sería apropiado. Un poco como todo el asunto cuántico que están haciendo los chinos con su satélite.

  • Jonathan Bennett dice:

    El primer párrafo debe ser suyo.

    • ninguno dice:

      > NASA, que funda ANITA

      • ratStomper dice:

        WTF?

        • ratStomper dice:

          Retiraré mi WTF.

          Entre los vapores pegajosos y la dislexia pensé que “ANITA” decía “ANTIFA”; después de una inspección más cercana, este no es el caso.

          • Ren dice:

            Entonces, ¿invertir (o retirar) WTF lo convertiría en un FTW?
            B ^)

          • matemático dice:

            ¡Gracias, eso me hizo reír!

  • Ren dice:

    Para su información, aquí hay una página wiki sobre un detector de neutrinos en el norte de Minnesota.

    https://eo.wikipedia.org/wiki/MINOS

    • celdrono dice:

      El detector MINOS era realmente visible cuando estaba funcionando (y existía).

      El verano pasado, cuando estábamos de vacaciones en Ely, hice el “recorrido científico” del parque estatal subterráneo Tower Soudan, con la esperanza de volver a verlo. Desafortunadamente, después de que terminaron los experimentos de alta energía, los detectores fueron desmantelados y retirados de la mina. Así que ahora la excursión científica es un poco aburrida, porque todo lo que ves son cuevas vacías que alguna vez albergaron estos experimentos realmente impresionantes sobre grandes ciencias; piezas de sensores desmontados; y dado que todos los exploradores han desaparecido, las excursiones ahora las hacen los intérpretes del parque en lugar de los estudiantes que antes los operaban.

      El recorrido minero es independiente del recorrido científico, y al menos todavía muestra el equipo de minería y las minas en sí. Si alguna vez vas a Ely, asegúrate de detenerte en el parque, súbete a la cabina del ascensor, desciende media milla a un agujero en el suelo y participa en el recorrido por la mina subterránea. Vea cómo se realizaba la minería de pozos a mediados del siglo XX.

      Entre las cosas más interesantes que he aprendido es que el mineral de hierro producido por la mina es uno de los minerales de hierro de mayor pureza del planeta (hematita con aproximadamente un 70% o más de contenido de hierro, en contraposición al procesamiento de imán inferior en balas de tacón). La mina Tower Soudan no cerró porque carecía de mineral de hierro de alta calidad, se cerró solo porque el antiguo sistema de carga era demasiado pequeño para levantar minerales rentables a la superficie; era más barato abrir una mina en otro lugar.

      Todo eso suponiendo que reanuden las excursiones después de la pandemia, por supuesto. El sistema de carga centenario funciona sorprendentemente caro (el costo promedio de un solo viaje de ida y vuelta vale alrededor de $ 90 en electricidad, mantenimiento y mano de obra), por lo que consideraron apagarlos por completo.

      • Ren dice:

        ¡Gracias!
        No me di cuenta de que MINOS + cerró hasta después de que publiqué.
        Creo que solo leí sobre esto hace un año, y lo que sea que leí, pensé que todavía funciona (¡suspiro!).

  • Digitalzombie dice:

    Esas estaciones científicas remotas en paisajes helados siempre se ven increíbles. ¿Puedes recomendar las imágenes de la expedición MOSAiC que actualmente está cruzando el Ártico (o de camino a casa? No están actualizadas, lo siento) para explorar el cambio climático.

    https://www.heise.de/newsticker/meldung/Arbeit-in-der-Dauer-Nacht-Polarstern-Forscher-in-der-Arktis-4656372.html?hg=1&hgi=10&hgf=false

    Gran material de papel tapiz, aunque un poco fuera de tema 🙂

  • fase2682 dice:

    El telescopio de hielo de Mark Bowen es un excelente libro sobre la historia de la búsqueda de fuentes de neutrinos y el desafío de construir un IceCube.

  • Steven dice:

    Mejor presta atención o te llevarás una sorpresa.

    https://eo.wikipedia.org/wiki/The_Neanderthal_Parallax

  • Comedias dice:

    “Este es un campo de lucha”. ¿Estás prosperando? ¿O intentar encontrar respuestas? De todos modos, pequeñas criaturas curiosas.

    • Ren dice:

      ¿Quizás es un campo hambriento?
      B ^)

  • Hirudinea dice:

    ¿Cómo trata IceCube el hielo? Esas cosas se mueven y pueden destruir la construcción en ellas. Eche un vistazo al enlace …
    https://en.wikipedia.org/wiki/Project_Iceworm

  • John Bump dice:

    Traté de publicar esto antes, pero aparentemente Internet se lo comió.
    Buen artículo sobre el grosor de sus velas para producir una nave espacial eléctrica neutra:
    https://journals.le.ac.uk/ojs1/index.php/pst/article/view/859
    Punto principal:
    “Descubrimos que sería necesario un grosor de 34.000 años luz si se usara una lámina de osmio, mientras que la materia estelar de neutrones podría alcanzarlo con 189 km de grosor. Concluimos que una vela de neutrinos no es un método práctico de propulsión”.
    y xkcd tenía una publicación excelente sobre lo cerca que tendrías que estar de una supernova para obtener una dosis letal de neutrinos, en una de sus palomas, lo que las palomas llamaban neutrinos mortales. Deberías estar en el borde de la corona de la supernova, entonces obtendrías neutrinos 10E57 a través de ti.

    • Ren dice:

      Eso me recuerda, me dijeron una vez;
      “Si estás lo suficientemente cerca de una explosión nuclear para encargarte de los neutrones, ¡esa debería ser la INCORRECTA de tus preocupaciones!”
      B ^)

  • El Drewski dice:

    Estaba trabajando en la estación Amundsen-Scott South Pole cuando se estaba construyendo el edificio Ice Cube y actualmente estoy haciendo TI para un distrito escolar. Siempre que tengo que limpiar un cable, me recuerdo a mí mismo que esos enormes silos a ambos lados del edificio … son bandejas para cables.

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