¿Qué partícula estamos buscando en el hielo antártico? » ABC de la ciencia

Los científicos han construido un gran detector en las profundidades del hielo antártico en busca de neutrinos de alta energía, también llamados “fantasmas cósmicos”.

Lejos de la civilización, en las temperaturas más frías del planeta, se encuentra un detector que busca una de las partículas más escurridizas del universo. El detector, conocido como IceCube, parece un laboratorio ordinario en la superficie.

Pero lo que vemos en la imagen de abajo es solo la punta del gigantesco observatorio… ¡el detector real se extiende hasta 2,5 km dentro del hielo!

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Observatorio IceCube (Crédito de la foto: Jeff Warneck/Shutterstock)

Entonces, ¿qué extraña partícula están buscando los científicos que solo se puede encontrar lejos de la civilización y en las profundidades del hielo? ¿Por qué, a diferencia de otros detectores, este está ubicado en un lugar tan extremo?

La respuesta radica en comprender la partícula que el laboratorio está buscando, los neutrinos, específicamente los neutrinos de ultra alta energía, conocidos cariñosamente como fantasmas cósmicos.

Entonces, ¿qué son los neutrinos?

Para comprender mejor a los neutrinos, primero debemos presentarnos a su familia. Cuando ingreses a la casa de esta familia de partículas, encontrarás dos tipos: uno que forma la materia y otro que facilita las fuerzas, o lo que conocemos como interacciones. Nuestro neutrino entra en la categoría de partículas de materia.

Sin embargo, cuando se le presente a los miembros de la familia de la materia, notará además dos bifurcaciones dentro de ellos: una que participa en interacciones de fuerza fuerte (es decir, la fuerza que mantiene intacto un protón) llamadas quarks, y el otro tipo, que no lo hace. toman parte en interacciones fuertes, llamadas leptones.

Generación de quarks y leptones

Esta vez, un neutrino se encuentra debajo de los leptones, es decir, no participa en interacciones fuertes.

Esta familia de partículas viene con su propia peculiaridad misteriosa. En su caso, es el amor por el número tres. Hay tres generaciones de partículas que son idénticas en naturaleza, pero progresivamente más pesadas.

Por ejemplo, la familia de electrones se compone de sí mismo (el más ligero de los tres), muones (más pesados ​​que un electrón) y tau (el más pesado de los tres).

Materia miembros de la familia de partículas

Tenemos al menos una partícula portadora de fuerza para cada una de las fuerzas fundamentales, excepto la fuerza gravitatoria. Incluso con la especulación de un ‘gravitón’ como su portador de fuerza, la fuerza gravitacional todavía está excluida del Modelo Estándar.

Esto se sigue para cada partícula, incluidos los neutrinos. Ahora, tenemos tres tipos de neutrinos: neutrino electrónico, neutrino muónico y neutrino tau (en orden ascendente de masa).

Dadas las excavaciones en la Antártida, podemos sospechar con seguridad que los neutrinos deben ser partículas particularmente importantes para recibir un trato tan especial. Una de las razones de esto es que se formaron en el primer instante de la formación del universo. Además, todavía están presentes en abundancia hoy en día. Básicamente, es una de las partículas más antiguas que nos puede dar una idea del pasado.

Pero, ¿qué es exactamente lo que hace que sea tan críptico ser nombrado el fantasma cósmico que debe ser cazado en las temperaturas más frías de la Tierra?

¿Por qué los neutrinos son llamados fantasmas cósmicos?

Parte de la razón de este nombre radica en el origen de esta partícula. El universo está lleno de fuentes de neutrinos. Vienen de nuestro Sol como un remanente del proceso de formación de energía, y también de otras estrellas, así como de la muerte de estas estrellas, todo el camino de regreso al Big Bang.

Además, tienen energías variables, dependiendo de su fuente. Los más energéticos son los neutrinos de ultra alta energía (como su nombre indica) y son el tema candente actual de la caza de partículas.

Sin embargo, para poner en perspectiva cuán abundantemente lleno está el universo de neutrinos, imagine la cantidad de energía que producen las estrellas. Dado que los neutrinos se producen a través de la misma reacción, imagina cuántos neutrinos hay en el cosmos. Esto ni siquiera cuenta la mayor fuente de neutrinos: el Big Bang. En pocas palabras, es como si estuviéramos nadando en neutrinos, pero aquí está la otra razón de su nombre críptico.

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Las supernovas, o la muerte de estrellas masivas, producen neutrinos con niveles de energía ultra altos (Crédito de la foto: Pixabay)

¡No interactúan con campos eléctricos o magnéticos! Eso significa que pasan por electrones en un átomo y no se ven afectados por los campos magnéticos masivos de los objetos cósmicos. En resumen, ¡hay muy poco (grande o pequeño) con lo que realmente interactúa! Entonces, de los millones de neutrinos que bombardean la Tierra, solo un puñado de ellos realmente interactúa, mientras que el resto atraviesa nuestro planeta como… fantasmas. Así, combinando las pistas, tenemos “fantasmas cósmicos”.

Estos fantasmas cósmicos son importantes no solo por su abundancia, sino también porque insinúan los procesos que suceden dentro de los cuerpos cósmicos en función de las diferentes energías que tienen. Sin embargo, la razón más importante es que estas partículas están trascendiendo y llegando a nosotros desde partes del universo que ni siquiera somos capaces de ver. Siguiendo con su tema críptico, son literalmente mensajeros del otro lado del universo que es invisible para nosotros…

¿Cómo los atrapa IceCube?

En la verdadera moda de los fantasmas, un fantasma cósmico no se puede detectar directamente. La mayoría de las veces, atraviesan la materia sin pensarlo dos veces, ya que no interactúan con la mayoría de esas partículas. Pero cuando lo hacen, dentro de un medio como el hielo, notamos la luz de Cherenkov como un indicador de su presencia e interacción.

Esta luz se ve cuando las partículas (los productos de la interacción con los neutrinos) viajan más rápido que la velocidad de la luz. Extraño, ¿verdad? Esto solo sucede en medios donde la velocidad de la luz se reduce un poco, de modo que la velocidad de otras partículas energéticas la supera. Esta extraña luz es la que se detecta y estudia para comprender mejor estas partículas.

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La luz de Cherenkov se observa como un cono de luz azul y se puede ver en un reactor nuclear donde se producen abundantes neutrinos (Crédito de la foto: Parilov/Shutterstock)

¿Pero era realmente necesario construir una estación de detección subterránea? ¿No podrían haberlo hecho en otro medio, como el agua? ¡Bueno, sí! En realidad, hay detectores en estaciones de aguas profundas, así como enormes tanques llenos de agua ultrapura enterrados en las profundidades de la tierra, pero la ubicación en la Antártida proporciona un entorno libre de cualquier tipo de señales que puedan amortiguar o distraer la atención. frágil sistema de detección.

La disponibilidad de hielo, un medio extremadamente bueno para la detección, es la guinda que hace de este el mejor lugar de la Tierra para atrapar estos fantasmas cósmicos. A juzgar por el éxito de este observatorio, parece que la estrategia está funcionando muy bien.

Hay muchas más partículas en la familia que, como los neutrinos, son extrañas y alucinantes para los simples mortales. Cada una de estas partículas tiene su propia historia que nos da una idea de lo que hace que nuestro universo sea como es hoy. También hay algunas partículas que aún no hemos observado, ¡pero estamos seguros de su existencia! No hace falta decir que nunca hay un día aburrido en el mundo de la física de partículas.

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