Los neutrinos cósmicos fantasmales son detenidos en frío por el planeta Tierra, muestra un nuevo estudio

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El laboratorio IceCube en la Antártida, cubierto por la Vía Láctea y una aurora en el horizonte. Imagen tomada en mayo de 2017.

                    Crédito: Martin Wolf / IceCube / NSF
                
            

Las partículas subatómicas llamadas neutrinos son notoriamente difíciles de atrapar porque atraviesan la materia regular como fantasmas. Pero un nuevo estudio muestra que los neutrinos de alta energía de fuentes cósmicas no son totalmente imparables.

Los investigadores del experimento IceCube en la Antártida anunciaron esta semana que han medido la velocidad a la que los neutrinos de alta energía interactúan con la materia regular en lugar de pasar sin estar comprometidos.

"Entender cómo interactúan los neutrinos es clave para el funcionamiento de IceCube", dijo Francis Halzen, profesor de física de la Universidad de Wisconsin-Madison y principal investigador de IceCube, en un comunicado de la universidad. [IceCube Photos: Physics Lab Buried Under Antarctic Ice]

El experimento IceCube fue diseñado principalmente para estudiar aspectos de la física de partículas, pero los neutrinos también pueden revelar nueva información sobre eventos cósmicos energéticos, como estrellas explosivas o agujeros negros en colisión. Incluso podrían proporcionar a los científicos nuevas pistas sobre el misterio de la materia oscura.

 Esta ilustración muestra cómo los neutrinos muónicos pueden llegar al detector IceCube a través de diferentes caminos a través de la Tierra. Los neutrinos con energías más altas y con las direcciones entrantes más cercanas al Polo Norte tienen más probabilidades de interactuar con la materia en su camino a través de la Tierra.

Esta ilustración muestra cómo los neutrinos muónicos pueden llegar al detector IceCube a través de diferentes caminos a través de la Tierra. Los neutrinos con energías más altas y con las direcciones entrantes más cercanas al Polo Norte tienen más probabilidades de interactuar con la materia en su camino a través de la Tierra.

            Crédito: colaboración IceCube

A través de la tierra

Los neutrinos en realidad no afectan la vida cotidiana de la mayoría de los humanos: no forman átomos (como electrones, protones y neutrones), y no juegan un papel crucial en los objetos de su masa (como el bosón de Higgs). Y sin embargo, alrededor de 100 billones de neutrinos pasan a través de su cuerpo cada segundo, según un comunicado de la colaboración de IceCube. La mayoría de esos neutrinos provienen del sol, que libera una corriente constante de neutrinos de baja energía hacia el espacio.

Los neutrinos que IceCube busca, los de fuentes cósmicas, son casi un millón de veces más energéticos que los neutrinos solares. Estos neutrinos de alta energía pueden ser liberados por una variedad de eventos cósmicos que incluyen supernovas (estrellas en explosión), colisiones de agujeros negros y bustos de rayos gamma (que pueden tener múltiples causas, incluidas las estrellas de neutrones en colisión).

                    
            

"Siempre decimos que ninguna partícula más que el neutrino puede atravesar la Tierra", dijo Halzen en un comunicado de la Universidad de Wisconsin. "Sin embargo, el neutrino tiene una pequeña probabilidad de interactuar, y esta probabilidad aumenta con la energía".

El detector IceCube está enterrado a menos de 1 milla (1,6 kilómetros) de hielo y recoge neutrinos que atraviesan la Tierra desde todas las direcciones. Por lo tanto, el detector puede observar cuántos neutrinos se detienen cuando pasan por el planeta a distintas profundidades.

 El IceCube Lab con la estación South Pole al fondo. Tomado en marzo de 2017.

El IceCube Lab con la estación South Pole al fondo. Tomado en marzo de 2017.

            Crédito: Martin Wolf / IceCube / NSF

Los científicos de IceCube "descubrieron que había menos neutrinos energéticos que atraviesan la Tierra hasta el detector IceCube que desde caminos menos obstruidos, como los que entran en trayectorias casi horizontales", dijeron los funcionarios en la declaración de la colaboración.

La velocidad a la que los neutrinos deben interactuar con la materia regular, en función de la energía de los neutrinos, se denomina sección transversal del neutrino. Esos valores son predichos por el Modelo Estándar de Física, que es el modelo más preciso que los científicos han reunido de cómo debería comportarse el mundo físico. Un resultado que parece contradecir el Modelo Estándar podría indicar que los científicos habían tropezado con la "nueva física" o un aspecto del universo que aún no se había predicho.

"Por supuesto, esperábamos que apareciera alguna nueva física, pero desafortunadamente encontramos que el Modelo Estándar, como de costumbre, resiste la prueba", dijo Halzen en el comunicado.

En hielo

El observatorio IceCube consiste en una serie de 5,160 detectores del tamaño de un balón de baloncesto, espaciados uniformemente a lo largo de 86 "cuerdas" que se dejan caer en las perforaciones del hielo. Colectivamente, las cuerdas y los detectores ocupan 0,24 millas cúbicas (1 kilómetro cúbico) de hielo, ubicado a 1 milla (1,6 km) debajo del Polo Sur geográfico.

Cuando los neutrinos son absorbidos o colisionan con partículas de materia regular, la interacción produce lluvias de partículas secundarias. Esas partículas generan luz en el conjunto IceCube, que el detector capta. Los investigadores pueden usar la señal para medir la energía del neutrino original y la dirección de donde vino.

 Un sensor IceCube, conectado a una "cuerda", desciende a un agujero en el hielo antártico.

Un sensor IceCube, conectado a una "cuerda", desciende a un agujero en el hielo antártico.

            Crédito: NSF / B. Gudbjartsson

El hielo bloquea las partículas distintas de los neutrinos que interactuarían con el detector y crearían ruido en los datos.

Es posible que con más datos, los investigadores podrían utilizar IceCube para estudiar el interior de la Tierra, tal vez mapeando el grosor y de sus núcleos interno y externo, de acuerdo con las declaraciones. El nuevo documento solo se basa en los datos de un año de observaciones de IceCube, entre mayo de 2010 y mayo de 2011, por lo que aún hay más que pueden analizar los investigadores.

"Tenemos más de siete años de datos en la lata con el detector completo, por lo tanto, entregaremos una medida mucho más precisa en el futuro", dijo Halzen en la declaración de la Universidad de Wisconsin.

Sigue a Calla Cofield @callacofield. Síganos @Spacedotcom, Facebook y Google+. Artículo original en Space.com.

        

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