En la estación Amundsen – Scott del Polo Sur en la Antártida se encuentra el Observatorio de Neutrinos IceCube, una instalación dedicada al estudio de partículas elementales conocidas como neutrinos. Este conjunto consta de 5.160 sensores ópticos esféricos - Módulos ópticos digitales (DOM) - enterrados dentro de un kilómetro cúbico de hielo transparente. En la actualidad, este observatorio es el detector de neutrinos más grande del mundo y ha pasado los últimos siete años estudiando cómo se comportan e interactúan estas partículas.
El estudio más reciente publicado por la colaboración de IceCube, con la ayuda de físicos de la Universidad Estatal de Pensilvania, ha medido la capacidad de la Tierra para bloquear neutrinos por primera vez. De acuerdo con el Modelo Estándar de Física de Partículas, determinaron que mientras que billones de neutrinos pasan a través de la Tierra (y de nosotros) de manera regular, algunos son detenidos ocasionalmente.
El estudio, titulado "Medición de la sección transversal de interacción de neutrinos Multi-TeV con IceCube usando la absorción de la Tierra", apareció recientemente en la revista científica Naturaleza. Los resultados del equipo del estudio se basaron en la observación de 10,784 interacciones realizadas por neutrinos de alta energía y movimiento ascendente, que se registraron durante el transcurso de un año en el observatorio.
En 2013, las primeras detecciones de neutrinos de alta energía fueron realizadas por la colaboración de IceCube. Estos neutrinos, que se creía que eran de origen astrofísico, estaban en el rango de voltios de peta-electrón, convirtiéndolos en los neutrinos de mayor energía descubiertos hasta la fecha. IceCube busca signos de estas interacciones buscando la radiación de Cherenkov, que se produce después de que las partículas cargadas que se mueven rápidamente se ralentizan al interactuar con la materia normal.
Al detectar neutrinos que interactúan con el hielo transparente, los instrumentos IceCube pudieron estimar la energía y la dirección de viaje de los neutrinos. Sin embargo, a pesar de estas detecciones, el misterio seguía siendo si algún tipo de materia podría detener o no a un neutrino mientras viajaba por el espacio. De acuerdo con el Modelo Estándar de Física de Partículas, esto es algo que debería suceder en ocasiones.
Después de observar interacciones en IceCube durante un año, el equipo científico descubrió que los neutrinos que tenían que viajar más lejos a través de la Tierra tenían menos probabilidades de llegar al detector. Como Doug Cowen, profesor de física y astronomía / astrofísica en Penn State, explicó en un comunicado de prensa de Penn State:
“Este logro es importante porque muestra, por primera vez, que los neutrinos de muy alta energía pueden ser absorbidos por algo, en este caso, la Tierra. Sabíamos que los neutrinos de baja energía pasan a través de casi cualquier cosa, pero aunque habíamos esperado que los neutrinos de mayor energía fueran diferentes, ningún experimento anterior había podido demostrar de manera convincente que nada podría detener a los neutrinos de mayor energía ”.
La existencia de neutrinos fue propuesta por primera vez en 1930 por el físico teórico Wolfgang Pauli, quien postuló su existencia como una forma de explicar la desintegración beta en términos de la ley de conservación de la energía. Se llaman así porque son eléctricamente neutros y solo interactúan con la materia muy débilmente, es decir, a través de la fuerza subatómica y la gravedad débiles. Debido a esto, los neutrinos pasan a través de la materia normal de manera regular.
Mientras que los neutrinos son producidos regularmente por estrellas y reactores nucleares aquí en la Tierra, los primeros neutrinos se formaron durante el Big Bang. Por lo tanto, el estudio de su interacción con la materia normal puede decirnos mucho sobre cómo evolucionó el Universo a lo largo de miles de millones de años. Muchos científicos anticipan que el estudio de los neutrinos indicará la existencia de nuevas físicas, que van más allá del Modelo Estándar.
Debido a esto, el equipo científico estaba algo sorprendido (y quizás decepcionado) con sus resultados. Como Francis Halzen, el investigador principal del Observatorio de Neutrinos IceCube y profesor de física en la Universidad de Wisconsin-Madison, explicó:
“Comprender cómo interactúan los neutrinos es clave para la operación de IceCube. Por supuesto, esperábamos que apareciera una nueva física, pero desafortunadamente encontramos que el Modelo Estándar, como de costumbre, resiste la prueba.
En su mayor parte, los neutrinos seleccionados para este estudio fueron más de un millón de veces más energéticos que los producidos por nuestras plantas de energía solar o nuclear. El análisis también incluyó algunos de naturaleza astrofísica, es decir, producidos más allá de la atmósfera de la Tierra, y que pueden haber sido acelerados hacia la Tierra por agujeros negros supermasivos (SMBH).
Darren Grant, profesor de física en la Universidad de Alberta, también es el portavoz de IceCube Collaboration. Como indicó, este último estudio de interacción abre puertas para futuras investigaciones sobre neutrinos. "Los neutrinos tienen una reputación bien merecida de sorprendernos con su comportamiento", dijo. "Es increíblemente emocionante ver esta primera medición y el potencial que tiene para futuras pruebas de precisión".
Este estudio no solo proporcionó la primera medición de la absorción de neutrinos en la Tierra, sino que también ofrece oportunidades para los investigadores geofísicos que esperan usar neutrinos para explorar el interior de la Tierra. Dado que la Tierra es capaz de detener algunos de los miles de millones de partículas de alta energía que la atraviesan rutinariamente, los científicos podrían desarrollar un método para estudiar el núcleo interno y externo de la Tierra, imponiendo restricciones más precisas en sus tamaños y densidades.
También muestra que el Observatorio IceCube es capaz de llegar más allá de su propósito original, que era la investigación de la física de partículas y el estudio de los neutrinos. Como lo demuestra claramente este último estudio, también es capaz de contribuir a la investigación de la ciencia planetaria y la física nuclear. Los físicos también esperan utilizar el conjunto completo IceCube de 86 cuerdas para realizar un análisis de varios años, examinando rangos aún más altos de energías de neutrinos.
Como indicó James Whitmore, el director del programa en la división de física de la National Science Foundation (NSF) (que brinda apoyo para IceCube), esto podría permitirles buscar realmente una física que vaya más allá del Modelo Estándar.
“IceCube fue construido para explorar las fronteras de la física y, al hacerlo, posiblemente desafiar las percepciones existentes de la naturaleza del universo. Este nuevo hallazgo y otros por venir están en ese espíritu de descubrimiento científico ".
Desde el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012, los físicos han estado seguros al saber que el largo viaje para confirmar el Modelo Estándar ahora estaba completo. Desde entonces, han establecido sus conjuntos más lejos, con la esperanza de encontrar una nueva física que pueda resolver algunos de los misterios más profundos del Universo, es decir, la supersimetría, una Teoría de todo (ToE), etc.
Esto, además de estudiar cómo funciona la física en los niveles de energía más altos (similares a los que existieron durante el Big Bang) es la preocupación actual de los físicos. Si tienen éxito, podríamos entender cómo funciona esta cosa masiva conocida como el Universo.
