Spencer Klein con la estación prototipo del proyecto ARIANNA, en la plataforma de hielo Ross. Crédito: Spencer Klein.Una antena de radio para capturar neutrinos de las galaxias muy, muy lejanas
Estamos constantemente salpicados por una lluvia de escombros de los rayos cósmicos que chocan con los átomos de la atmósfera. Los rayos cósmicos no son en realidad rayos, por supuesto, son partículas; el noventa por ciento son protones, esto es los núcleos de los átomos de hidrógeno, y la mayoría del resto son núcleos más pesados como el hierro. Algunos proceden de nuestro propio sol, pero la mayoría vienen de más lejos, de la Vía Láctea y más allá.
"Los rayos cósmicos más energéticos son los más raros, y representan el misterio más grande", dice Spencer Klein, de la división de Ciencia Nuclear del Laboratorio de Berkeley. Él compara la energía de un rayo cósmico de ultra-alta energía (UHE) a un buen golpe con una pelota de tenis o el golpe de un boxeador, todo empacado en un núcleo atómico único.
"Si son protones, tienen unas 40 millones de veces la energía de los protones acelerados en el Gran Colisionador de Hadrones, el LHC", dice Klein. "Con la tecnología actual necesitaríamos construir un acelerador alrededor del sol para producir protones tan enérgeticos. No sólo no sabemos cómo trabajan estos aceleradores cósmicos, ni siquiera sabemos dónde están."
Estando cargados eléctricamente, incluso los rayos cósmicos más energéticos se ven obligados a doblar cuando atraviesan los campos magnéticos interestelares, así que no es posible extrapolar de dónde vinieron mirando hacia atrás en su carrera al llegar a la Tierra.
Sin embargo, no pueden venir de muy lejos. Klein explica que debido a que los rayos cósmicos pierden energía por el arado en los fotones del fondo cósmico de microondas en su viaje, "los que observamos deben venir del universo 'local', dentro de unos 225 millones de años luz de la Tierra. Esto suena como una enorme distancia, pero, en las escalas cósmicas, no es muy lejos."
En todo ese volumen del espacio "cercano", las fuentes capaces de producir estos núcleos de alta energía no han sido claramente identificadas. Una pista sobre el origen de los rayos cósmicos de más alta energía son los neutrinos que ellos producen cuando interactúan con los fotones del fondo cósmico de microondas que los hace má lentos.
Cómo encontrar un acelerador cósmico
"Los neutrinos tienen ventajas importantes como instrumentos de observación", dice Klein. "La única manera en que interactúan es a través de la interacción débil, por lo que no son desviados por los campos magnéticos en vuelo, y fácilmente se deslizan a través de la materia densa de las estrellas que pararían los rayos cósmicos mismos".
La otra cara es que es un buen truco para atrapar neutrinos, especialmente los producidos por eventos raros. La localización de los neutrinos producidos por rayos cósmicos UHE necesita un detector que cubra un área enorme.
Lo que llevó a Klein a encontrarse a sí mismo en la tienda del camping en la plataforma de hielo de Ross en diciembre pasado (a mediados del verano en la Antártida), junto con su colega Thorsten Stezelberger de la División de Ingeniería del Laboratorio y la administradora del campamento Martha Story del Centro Berg Field, un servicio de apoyo en la Estación McMurdo, la principal base de EE.UU. en la Antártida. Klein y Stezelberger fueron creando una estación prototipo para la propuesta matriz ARIANNA (Antarctic Ross Ice Shelf Antenna Neutrino Array, en español Matriz de Antenas de Neutrinos en la Plataforma de Hielo Antártico Ross) de detectores de neutrinos.
A diferencia de los detectores de neutrinos SNO en Canadá, Daya Bay en China, Super-Kamiokande en Japón, o IceCube, el gran telescopio de neutrinos en construcción en el hielo del Polo Sur, ARIANNA, no necesita kilómetros de roca o de la propia Tierra para filtrar los eventos de fondo. Eso es porque ARIANNA busca un inusual tipo de señal de neutrinos conocida como el efecto Askaryan.
ARIANNA observará la lluvia de electrones, positrones y otras partículas producidas cuando un neutrino interaccione en el hielo por debajo de los detectores de ARIANNA. En 1962, Gurgen Askaryan, un físico armenio, señaló que estas lluvias contienen más electrones que positrones, por lo que tienen una carga eléctrica neta. Cuando se desarrolla una lluvia en el hielo, esta carga en movimiento es una corriente eléctrica que produce un poderoso pulso de ondas de radio de gran alcance, emitido en un cono alrededor de la dirección de los neutrinos.
La energía vertida por partículas que se mueven más rápido que la velocidad de la luz en un medio como el vidrio o el agua (la luz se mueve a través del agua a tan solo tres cuartos de su velocidad en el vacío) se llama radiación Cherenkov, y es quizás más conocida como el resplandor azul producido por el movimiento rápido de los electronnes en una piscina que rodea un reactor nuclear. La misma radiación de Cherenkov en longitud de onda de luz visible se utiliza para detectar eventos de partículas cargadas creados por detectores de neutrinos como IceCube.
En vez de longitudes de onda ópticas, ARIANNA observa la radiación de Cherenkov en longitudes de onda de radio; la fuerza de la señal de radio es proporcional al cuadrado de la energía del neutrino que le dió origen. Para captar estas señales, ARIANNA utilizará antenas de radio enterradas en la nieve en la parte superior del hielo.
Un neutrino energético golpeando la atmósfera superior crea una lluvia de partículas en la que predominan los electrones. Cuando la lluvia entra en el hielo, vierte la radiación Cherenkov en forma de ondas de radio, que se reflejan desde la interfaz de hielo y agua y son detectadas por las antenas enterradas en la nieve. Crédito: Spencer Klein.La plataforma de hielo Ross es un componente ideal del detector ARIANNA, entre otras cosas porque la interfaz donde el hielo, a cientos de metros de espesor, se reúne con el agua líquida que hay por debajo, es un excelente espejo para reflejar las ondas de radio. Las señales de los acontecimientos generales de neutrinos pueden ser detectados mediante la búsqueda de ondas de radio que se han reflejado en ese espejo. Para neutrinos que lleguen en sentido horizontal, algunas de las ondas de radio se detectan directamente, y algunas serán detectadas después de ser reflejadas.
Según lo previsto por su investigador principal, Steven Barwick de UC Irvine -que visitó la plataforma de hielo Ross en 2008- ARIANNA finalmente estaría compuesta por hasta 10.000 estaciones, cubriendo una extensión cuadrada de hielo de 30 kilómetros de lado.
Los neutrinos en el hielo
Diez mil estaciones es el objetivo final, pero el primer paso es ver si tan sólo una estación puede trabajar. Durante el verano antártico, paneles solares proporcionan energía para las antenas de radio bajo la nieve y la torre de Internet que envía datos a la Estación McMurdo, a través de una torre repetidora en el cercano Monte Discovery. Durante el largo y oscuro invierno, es de esperar que el poder provendrá de turbinas de viento o de un generador.
Thorsten Stezelberger entierra una antena de radio de dos metros de profundidad en la nieve. Crédito: Spencer Klein.Cuando la temperatura es principalmente bajo cero, incluso el camping de verano es un desafío, como Klein y Stezelberger lo experimentaron. Con todos los suministros aportados por helicóptero, el equipo estableció tres tiendas de campaña para dormir, una más grande (10 pies por 20 pies) tienda de cocina, comedor, laboratorio y oficina, y una pequeña tienda de campaña para un baño."
"Para cada cuerda, cavamos un hoyo de dos metros de profundidad y enterramos una larga estaca de bambú con la cuerda atada a ella", explica Stezelberger. "Cuando estaba tensa, rellenamos el agujero de nieve xxxx- un poco justo de trabajo".
En el segundo día el equipo desempaquetó y montó la torre de la estación de seis pies de alto, hecha de tubos metálicos anclados a los pies de madera bajo la nieve. La torre cuenta con cuatro paneles solares, una turbina de viento, y antenas para la recepción de señales de tiempo de los satélites de posicionamiento global, y para comunicarse a través de los satélites de comunicaciones Iridium.
Klein, Stezelberger y Story pasaron el tercer día montando, probando y enterrando las antenas de detección de neutrinos en zanjas de dos metros de profundidad, en la nieve. En el cuarto día una torre de Internet -la red de comunicaciones era de gran valor para el envío de datos hacia el norte, y para permitir a las personas trabajar de forma remota en el equipo de la estación- fue llevada en helicóptero y construida por un equipo de cuatro personas, que se quedó para el almuerzo. "Afortunadamente, trajeron sus propias cosas", señala Klein. "Nos preguntábamos cómo íbamos a comer todos con sólo cuatro tenedores, cuatro cucharas y cuatro cuchillos."
Después de otra semana, que se dedicó sobre todo a probar instrumentos, incluido el rebote de señales de radio de la interfase agua-hielo, además de dos días esperando que el tiempo mejorara de manera que los helicópteros pudieran recogerlos, el equipo finalmente levantó el campo. Después de embalar los engranajes en cabestrillo para ser recogidos por los vuelos posteriores, subieron a bordo de un helicóptero y regresaron a la base, dejando atrás una estación en funcionamiento destinada a sobrevivir al invierno que se aproxima.
Klein y Stezelberger volvieron al laboratorio de Berkeley para el último día de diciembre. Klein, ayudado por Barwick de UC Irvine y el estudiante graduado Jordania Hanson, el físico de neutrinos Ryan Nichol, del University College de Londres, y Lisa Gerhardt, de la División de Ciencia Nuclear del Laboratorio de Berkeley (ella misma acaba de regresar de trabajar en IceCube en el Polo Sur), pasó las siguientes semanas analizando los datos de la estación prototipo ARIANNA en el hielo, ya que continuó informando a través de Internet. El flujo de información incluye limpieza de datos y los datos científicos en forma de señales de antena.
"El viento ha sido en general muy tranquilo durante la semana y media que hemos pasado en el hielo, temíamos que el generador de viento no iba a ser suficiente para las necesidades de energía de la estación durante el invierno", dice Klein. "Pero después de nuestra partida, el viento aumentó y la turbina de viento comenzó a funcionar, lo que nos anima".
Los datos de la antena han sido también muy instructivos, y había mucho de eso, las señales de ruido de fondo natural y de fuentes de origen humano. Un evento cada 60 segundos fue el pulso del latido emitido por la propia estación, que había preparado el equipo para comprobar el detector.
"Pero hubo otras, inesperadas señales periódicas, pares separados por casi exactamente seis segundos, con un ritmo variable de más de 24 horas", dice Gerhardt. Las señales periódicas sugieren fuertemente las fuentes de origen humano. "Creemos que son probablemente de la conmutación de las fuentes de alimentación para el hardware de Internet."
Thorsten Stezelberger y la administradora del campamento Martha Story en la cena. Crédito: Spencer Klein.Otros eventos, aperiódicos, formaban parte del fondo irreductible, incluido el ruido térmico debido al movimiento molecular en el equipo. Esto determina un límite natural para el desempeño del detector, pero debe perfeccionarse con un mejor equipo.
Una cosa que el prototipo de la estación no ha visto es un neutrino energético, y Klein no espera la captura de uno. Si el prototipo sobrevive el invierno, el paso siguiente será un grupo de cinco a siete instalaciones de este tipo con equipos especialmente diseñados para hacer el trabajo. La matriz completa está lejos en el futuro.
"Un caso real sería un logro", dice Klein, "y puede ser que tome un centenar de estaciones alcanzar siquiera eso. Los rayos cósmicos UHE son extremadamente raros. Si podemos seguir simplemente uno de vuelta a su origen, habremos hecho un enorme avance en la astronomía de neutrinos ".
Información adicional:
Este artículo se basa en la narración de Spencer Klein de su viaje a la plataforma de hielo de Ross en diciembre de 2009 en su blog, "Neutrino Hunting in Antarctica".
Para más información sobre la detección de neutrinos de muy alta energía, lea "ARIANNA: A New Concept for UHE Neutrino Detection" de Steven W. Barwick,
Para más información sobre la caza de neutrinos de alta energía, lea "High Energy Neutrinos from the Cosmos", de Per Olof Hulth.
Más información sobre IceCube
Traducido de:
Neutrinos: Clues to the Most Energetic Cosmic Rays
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