Los neutrinos son una de las partículas más escurridizas del cosmos, solo superadas por la materia oscura ultramisteriosa. Se fabrican en cantidades considerables: participan en la fuerza nuclear débil y son responsables de la fusión y descomposición nuclear. Entonces, cada vez que sucede algo nuclear, los neutrinos están involucrados.
Por ejemplo, el núcleo del sol es una reacción de fusión nuclear gigante, por lo que, naturalmente, está produciendo bastantes neutrinos. Si levantas el pulgar hacia el sol, aproximadamente 60 mil millones de neutrinos pasarán a través de la uña del pulgar cada segundo, según estudios anteriores.
Pero los neutrinos interactúan tan raramente con la materia que, a pesar de los trillones y trillones de ellos que pasan a través de su cuerpo cada segundo, en toda su vida, la cantidad total de neutrinos que realmente golpearán su cuerpo es aproximadamente… uno. Los neutrinos son tan fantasmagóricos y efervescentes que, durante décadas, los físicos asumieron que estas partículas no tenían masa y viajaban por el universo a la velocidad de la luz. Pero después de que comenzaron a acumularse montañas de evidencia, los científicos descubrieron que los neutrinos tienen una pequeña cantidad de masa.
Exactamente cuánta masa es una cuestión de investigación científica activa. Hay tres tipos de neutrinos: el neutrino electrónico, el neutrino muónico y el neutrino tau. Cada uno de estos “sabores” participa en diferentes tipos de reacciones nucleares y, de manera frustrante, los tres tipos de neutrinos tienen la extraña capacidad de cambiar de una identidad a otra a medida que viajan. Entonces, incluso si logra ver un neutrino y determinar su tipo, solo sabe una fracción de lo que desearía saber.
Susurros en el agua
La masa de los neutrinos no tiene explicación en el Modelo Estándar de la física de partículas, nuestra actual y mejor teoría de las interacciones fundamentales. Entonces, a los físicos les encantaría hacer dos cosas: medir las masas de los tres sabores de neutrinos y comprender de dónde provienen esas masas. Eso significa que tienen que hacer muchos experimentos.
La mayoría de los detectores de neutrinos son bastante sencillos: configuras un dispositivo para generar una cantidad ridícula de bichos en un laboratorio, o construyes una matriz gigantesca para capturar algunos que se originan fuera de la Tierra.
Estos experimentos han progresado mucho y se han hecho más grandes con cada generación. El experimento Kamiokande en Japón, por ejemplo, detectó los neutrinos provenientes de la supernova 1987A. Pero necesitaban una tina de más de 50.000 toneladas de agua para hacerlo.
En los últimos años, el Observatorio de Neutrinos IceCube en la Antártida ha subido la apuesta. Ese observatorio consiste en un kilómetro cúbico sólido de hielo en el Polo Sur, con docenas de cadenas de receptores del tamaño de la Torre Eiffel hundidas un kilómetro en la superficie. Después de una década de trabajo, IceCube descubrió algunos de los neutrinos más energéticos de la historia y dio pasos tentativos para encontrar sus orígenes. (Pista: involucra procesos de alta energía en el universo, como blazares).
¿Por qué tanto Kamiokande como IceCube usan tanta agua? Una gran cantidad de casi cualquier cosa puede servir como detector de neutrinos, pero el agua pura es ideal. Cuando uno de los billones de neutrinos que pasan golpea una molécula de agua al azar, emite un breve destello de luz. Los observatorios contienen cientos de fotorreceptores, y la pureza del agua permite que esos detectores señalen la dirección, el ángulo y la intensidad del destello con mucha precisión. Si el agua tuviera impurezas, sería difícil reconstruir de dónde vino el destello dentro del volumen. A partir de ahí, pueden reconstruir la dirección original del neutrino entrante y controlar su energía.
El gran parche de neutrinos del Pacífico
Todo esto está muy bien para los neutrinos normales y cotidianos. Pero los neutrinos más energéticos son extraordinariamente raros. Esos neutrinos extremadamente raros también son los más emocionantes e interesantes, sin embargo, porque solo pueden ser causados por los eventos más gigantescos y poderosos del universo.
Desafortunadamente, todo el poder de IceCube, después de una década de observación, ha podido capturar un simple puñado de estos neutrinos ultrapoderosos. Así que vamos a necesitar un barco más grande… queremos decir, detector.
Esta es la idea detrás del Experimento de neutrinos del Océano Pacífico (P-ONE), una nueva propuesta descrita en un artículo publicado en el servidor de preimpresión arXiv en noviembre: convertir una franja masiva del Océano Pacífico en el detector de neutrinos de la naturaleza. Una vez más, el concepto es sorprendentemente simple: encuentra una parte solitaria y adecuada del Pacífico. Muy fácil. Construye cadenas largas de fotodetectores, y me refiero a largas, de al menos un kilómetro de largo. Hunde estas hebras en el fondo del océano, preferiblemente a una profundidad de más de una milla. Póngales flotadores para que se mantengan erguidos en el agua, como algas mecánicas gigantes.
El diseño de P-ONE actualmente incluye siete grupos de 10 cuerdas, cada una de las cuales aloja 20 elementos ópticos. Eso es un gran total de 1.400 fotodetectores flotando alrededor de un área del Pacífico de varias millas de ancho, brindando mucha más cobertura que IceCube.
Una vez que esté en funcionamiento, solo tiene que esperar. Incluso los neutrinos golpearán el agua del océano y emitirán un pequeño destello, y los detectores lo rastrearán.
Por supuesto, es más difícil de lo que parece. Las hebras se moverán constantemente, ondeando de un lado a otro con el océano mismo. Y el Océano Pacífico es… menos que puro, con sal y plancton y todo tipo de excrementos de peces flotando. Eso cambiará el comportamiento de la luz entre los hilos, lo que dificultará la medición precisa.
Eso significa que el experimento requerirá una calibración constante para ajustarse a todas estas variables y rastrear de manera confiable los neutrinos. Sin embargo, el equipo detrás de P-ONE está en el caso y ya tiene planes para construir una demostración más pequeña de dos hilos como prueba de concepto.
Y luego, podemos ir a la caza de neutrinos.
Fuente: Live Science.
