Telescopios submarinos de neutrinos para la astronomía multimensajero

 Ilustración de los módulos ópticos (de unos 30 cm cada uno) del detector KM3NeT de neutrionos, con una unidad de detección en la boya amarilla. (Foto: © Edward Berbee/Nikhef)

Los neutrinos son partículas bastante raras, y no es porque haya pocas: son la segunda partícula más abundante del universo. De hecho, cada segundo atraviesan nuestro cuerpo billones de neutrinos producidos en el Sol, incluso de noche. Decimos que son raras justamente porque pueden atravesarnos, cruzar la Tierra y seguir su camino intactas.

Esta propiedad es lo que ha hecho que cientos de científicos e ingenieros de todo el mundo hayan trabajado durante años para construir y operar telescopios gigantescos que permitan estudiar el cosmos con este tipo de partículas. Estos telescopios también son ‘raros’. Su funcionamiento se basa en detectar una luz azulada (denominada luz Cherkenkov) que se emite cuando un neutrino interacciona cerca del detector y produce otras partículas.

Los telescopios de neutrinos consisten en una red de cientos o miles de detectores de luz encapsulados en esferas de cristal de tamaño de un balón de playa e instalados en el fondo del mar o en el hielo antártico. Este último es el caso de IceCube, localizado en la Antártida, que acaba de publicar la detección de neutrinos provenientes del blazar TXS 0506+056.

Un blazar es un caso particular de galaxia de núcleo activo (AGN, por sus siglas en inglés), es decir, galaxias en las que existe un agujero negro con una masa millones de veces mayor que la del Sol sobre la que cae materia a gran velocidad.

Las AGN son uno de los candidatos favoritos de los astrofísicos para explicar uno de los misterios más longevos en Física: ¿Cuál es el origen de los rayos cósmicos de gran energía que observamos? Por tanto, el descubrimiento tiene gran importancia y trascendencia, como fue subrayado en la rueda de prensa donde se presentó.

Además de arrojar luz sobre la cuestión del origen de los rayos cósmicos, confirma que estamos en una nueva era en la observación del cielo. En los últimos dos años hemos asistido al nacimiento de la astronomía de multimensajeros. La reciente observación de ondas gravitacionales y la identificación de la primera fuente de neutrinos cósmicos de alta energía nos van a permitir tener una comprensión mucho más completa del universo.

El nuevo descubrimiento tiene detrás un esfuerzo enorme para construir un detector que abarca un kilómetro cúbico enterrado a 2.000 metros bajo la superficie del Polo Sur. Tuve la suerte de participar como miembro de esta colaboración durante una estancia postdoctoral de dos años en la Universidad de Madison-Wisconsin (la institución estadounidense que lidera la colaboración internacional IceCube), bajo la dirección de Francis Halzen, investigador principal del proyecto.

Mi labor estuvo centrada en el análisis de las prestaciones esperadas para este detector y allí pude comprobar de cerca la rigurosidad de las pruebas de calidad de todos los elementos y el altísimo de nivel de organización logística, que han hecho posible instalar y operar exitosamente este detector en un ambiente tan extremo como la Antártida.

Pero hay que recordar que actualmente existen dos proyectos en el mar Mediterráneo dedicados también a buscar neutrinos cósmicos: ANTARES y KM3NeT, en los que participan grupos españoles (el Instituto de Física Corpuscular o IFIC, la Universidad Politécnica de Valencia y la Universidad de Granada).

ANTARES lleva tomando datos desde 2007. Es bastante más pequeño que IceCube (en una proporción 1:50), pero ha demostrado la viabilidad de su técnica en el fondo del mar, con importantes ventajas respecto al hielo. En particular, se observa como la luz se dispersa menos en el agua y una mejor resolución angular, algo crucial en un telescopio para identificar bien de dónde vienen los neutrinos.

Esto ha impulsado el siguiente paso: construir un detector del tamaño de IceCube en el Mediterráneo. Se llama KM3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope) y ya se han comenzado a instalar sus primeras líneas. En 2020 contará con un centenar de líneas cerca de la costa francesa y otro centenar al sur de Italia.

Es interesante señalar que hay una cooperación bastante cercana entre estos dos experimentos del Mediterráneo y IceCube, incluyendo reuniones anuales conjuntas. De hecho, ANTARES fue una de las colaboraciones científicas que recibió la alerta e información previa sobre el blazar TXS 0506+056, lo que nos ha permitido estudiar si había una señal de esa fuente en nuestros datos.

Los telescopios de neutrinos como ANTARES y KM3NeT también están centrados en uno de los grandes retos de la física de partículas actual: la búsqueda de materia oscura. Sabemos que la materia oscura constituye el 80% de la materia del universo, pero no está hecha de ningún tipo de partícula que conozcamos. Precisamente porque no sabemos de qué está constituida, necesitamos abordar la búsqueda mediante diversas técnicas experimentales, y los telescopios de neutrinos ofrecen ventajas específicas.

En nuestro caso, las fuentes más prometedoras son el Sol y el centro galáctico. La idea es que las partículas de materia oscura se acumulan en estos objetos astrofísicos, y cuando chocan entre ellas producen diversas partículas, entre ellas neutrinos. Ya se han realizado análisis con datos de ANTARES, pero hasta ahora no se han encontrado las señales que buscamos. La construcción de KM3NeT mejorará notablemente nuestra capacidad para estas búsquedas, de manera que quizá en los próximos años podamos desentrañar este misterio. 

Fuente: http://elblogantares.blogspot.com/2018/07/telescopios-submarinos-de-neutrinos.html

Científicos buscan el cuarto neutrino

Un nuevo experimento con la partícula más famosa puede desbaratar, otra vez, las teorías universalmente aceptadas de la Física

abc.es / madrid

Día 30/11/2011 - 11.20h

AP

Albert Einstein examina el desarrollo de una fórmula en la pizarra del auditorio del Instituto Carnegie, en Pittsburgh. Los neutrinos parecen querer desbaratar sus teorías

 

Hace ahora un año, científicos de la Universidad de Michigan realizaban un experimento en el Fermilab, un laboratorio de física de altas energías localizado cerca de Chicago, que sugería que el neutrino, quizás la partícula más elusiva del Universo, ya que apenas tiene masa y casi no interacciona con la materia, y de plena actualidad por ser, supuestamente, más veloz que la luz, existía en una cuarta forma desconocida, lo que los científicos llaman un cuarto sabor. Ahora, los científicos creen que ha llegado el momento de probar si esto es realmente cierto.

Hasta ahora, se sabe que los neutrinos tenían tres sabores: electrón, muón y tau. Pero una anomalía en la oscilación de los antineutrinos (algo así como un neutrino ante un espejo, una partícula que tendría las mismas propiedades y componentes que un neutrino, pero con la carga eléctrica opuesta) puso la mosca detrás de la oreja a los investigadores ya desde los años 90. Algo no iba bien en las teorías tradicionales, una discrepancia que solo podía resolverse con la existencia de ese cuarto neutrino con una masa específica. Esta hipótesis podría suponer cambios importantes en el Modelo estándar de la física, la teoría de partículas subatómicas que ha costado décadas construir y que ahora parece todo el mundo quiere echar abajo. No es tan fácil. Algunos experimentos han creído resolver la incógnita, pero no se han confirmado. En un nuevo estudio, un equipo de físicos asegura que es el momento de probar la existencia de ese cuarto neutrino.

En una investigación publicada en la revista Physical Letters, el físico Michel Cribier propone un experimento que podría revelar si existe ese cuarto sabor de neutrino. Si realmente existe, tendría importantes implicaciones para entender cómo se creó la materia y por qué venció a la antimateria en la formación del Universo. Con el fin de lograr un nivel de certeza significativo, el experimento, en el que se lanzarán haces de neutrinos, se ejecutará durante un año completo. Además, según los científicos, esta prueba aportará una mayor seguridad sobre la existencia de ese cuarto neutrino en comparación con otros experimentos anterioers debido al menor tamaño de la fuente de partículas.

  

Fuente: www.abc.es

El error del experimento de los neutrinos, ¿en los relojes?

Hace unas semanas, físicos del CERN enviaron haces de neutrinos desde un acelerador de partículas, en la frontera franco-suiza, al detector Gran Sasso, en los Apeninos, a 730 kilómetros de distancia. Bajo 1.400 metros de roca sólida, que evita distorsiones de rayos cósmicos y señales terrestres, los neutrinos viajaron más rápido que la luz; llegaron exactamente unos 60 nanosegundos antes. Algo absolutamente asombroso que parecía poner patas arriba la teoría de la relatividad. El experimento, conocido como OPERA, provocó una ola de entusiasmo entre la comunidad científica y llamó la atención en todo el mundo. Sin embargo, son muchos los investigadores convencidos de que debe de haber un error, de que algo se les ha tenido que pasar por alto a los científicos del CERN. Desde que el experimento se dio a conocer, han aparecido más de 80 artículos en arXiv tratando de desacreditar o explicar el efecto. El último de estos artículos, firmado por Ronald van Elburg, de la Universidad de Groningen (Holanda), cree tener la clave del error y presenta un argumento interesante. La relatividad especial y el movimiento de los relojes abordo de los satélites GPS que midieron el proceso tienen la clave.

Según explica Technology Review, el científico ha tenido en cuenta, para empezar, la distancia y el tiempo empleados en el experimento. La posición de la producción de neutrinos en el CERN es bastante fácil de medir con GPS. El Laboratorio de Gran Sasso, la «meta» de los neutrinos, resulta algo más difícil de ubicar, debido a que está enterrado a un kilómetro bajo una montaña. Sin embargo, el equipo de OPERA estableció que la distancia entre los dos puntos es de 730 km con un margen de error de 20 cm como máximo.

Medir el tiempo de vuelo de los neutrinos ya es otra cuestión. Los científicos del CERN han señalado que pueden evaluar con precisión el instante en que se crean los neutrinos y el instante en el que se detectan usando relojes en ambos extremos. Pero, lógicamente, hay que mantener los relojes de ambos extremos exactamente sincronizados. Para ello, el equipo utilizó satélites GPS, cada uno emitiendo una señal temporal de alta precisión desde una órbita a unos 20.000 km de altura. Esto introduce una serie de complicaciones adicionales que el equipo tuvo que tener en cuenta, tales como el tiempo de viaje de las señales GPS hasta el suelo.

Pero es aquí precisamente donde Van Elburg estima que hay un efecto que el equipo de OPERA pudo haber pasado por alto: el movimiento relativista de los relojes GPS. En este caso, hay dos marcos de referencia: el experimento en tierra y los relojes en órbita. Estas sondas orbitan de oeste a este en un plano inclinado de 55 grados respecto al ecuador, un ángulo alineado con la ruta de los neutrinos. Desde el punto de vista del reloj en un satélite GPS, las posiciones de la fuente y el detector de neutrinos están cambiando. «Desde la perspectiva del reloj, el detector se mueve hacia la fuente y, por lo tanto, la distancia recorrida por las partículas observada desde el reloj es más corta», dice Van Elburg.

Reforzar a Einstein

Van Elburg cree que el equipo del CERN pasó esto por alto y calcula que este efecto podría haber provocado que los neutrinos llegasen 32 nanosegundos antes. Pero esto debe duplicarse, dado que se genera el mismo error en cada extremo del experimento. Por lo que la corrección total es de 64 nanosegundos, casi exactamente lo que observó el equipo de OPERA.

Esta teoría todavía debe ser revisada por otros científicos, especialmente por los responsables del experimento de los neutrinos. Si se confirma que Van Elburg tiene razón, el experimento no solo no rompería con la Teoría de la Relatividad de Einstein sino que, por el contrario, sería una confirmación de la misma. 

Fuente: www.abc.es

El plomo español de un barco romano servirá para detectar neutrinos

Recuperación de lingotes de plomo en un pecio romano de hace 2.000 años en aguas de Cerdeña.- NUOVO SAGGIATORE/SOCIETÀ ITALIANA DI FISICA BOLOGNA

Tras permanecer 2.000 años en el agua, el metal ha perdido su radiactividad 

 Los científicos italianos embarcados en la física de partículas más avanzada se van a servir de lingotes de plomo de 2.000 años de antigüedad para sus experimentos a la caza de neutrinos. El Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia ha recibido los lingotes, recuperados de un barco romano procedente de Cartagena que se hundió en el costa de Cerdeña, que utilizará para construir un escudo en su experimento CUORE, diseñado para estudiar los neutrinos y medir directamente su masa.

 Lingote de plomo de hace 2.000 años fabricado en España.- NUOVO SAGGIATORE/SOCIETÀ ITALIANA DI FISICA BOLOGNA

Tras 2.000 años en el fondo marino, este plomo se utilizará en el laboratorio Gran Sasso, a 1.400 metros bajo los Apeninos.

Al permanecer tanto tiempo en el agua, se ha reducido unas 100.000 veces la ya baja radiactividad natural del plomo, presente en uno de sus isótopos, el plomo 210, informa el instituto. El periodo de semidesintegración de este isótopo es de sólo 22 años, por lo que actualmente ha desaparecido prácticamente de los lingotes. Esta característica es la que hace que el plomo romano sea útil, ya que se puede utilizar para aislar experimentos que necesitan gran precisión, como los que se llevan a cabo en el Gran Sasso.

La parte de los lingotes que presentan inscripciones que denotan su origen romano será conservada y el resto se limpiará de las incrustaciones presentes y se fundirá para el escudo del experimento. Además, el instituto italiano estudiará con precisión las características del plomo y del cobre también hallado en el barco hundido para conocer mejor los materiales utilizados en la Edad de Bronce.

Es la segunda vez que se utiliza el plomo del naufragio para estudios de física de partículas. La carga del barco fue rescatada hace 20 años, en parte con fondos de la institución científica citada, que entonces recibió 150 lingotes. Ahora recibe otros 200.

"Seguro que el comandante de ese barco no se imaginó nunca que el plomo se utilizaría 2.000 años después para algo que tiene que ver con el Universo y las estrellas", ha comentado Roberto Petronzio, presidente del Instituto Nacional de Física Nuclear.

"Este plomo", ha explicado el científico Ettore Fiorini, director del experimento CUORE, "representa un material muy importante para proteger los aparatos utilizados para investigar acontecimientos muy poco frecuentes, un material que debe estar totalmente libre de contaminación radiactiva". Por su parte, Lucia Votano, directora de los laboratorios subterráneos en Gran Sasso, opina: "Es estupendo que las tecnologías más avanzadas e innovadoras tengan que depender de la arqueología y de la tecnología de los antiguos romanos. El antiguo plomo recuperado del fondo del mar será esencial para proteger el experimento de la radiactividad natural, que podría ocultar el raro proceso de desintegración doble beta sin neutrinos". El plomo de este origen se utiliza también en circuitos electrónicos y tiene gran demanda.

El barco

La nave romana que fue encontrada por un buceador en 1991 a 30 metros de profundidad era una navis oneraria magna, de 36 metros de eslora, construida entre el año 80 y el 50 antes de Cristo, cuya carga consistía en 2.000 lingotes de plomo. El barco procedía del área de Cartagena y se dirigía probablemente a Roma. También fueron hallados ánforas, anclas y otros objetos. El naufragio se produjo sin destrucción, lo que indica que quizás fue voluntaria.

Los lingotes pesan unos 33 kilogramos cada uno y miden 46 centímetros de largo por nueve de alto. El plomo era un subproducto de la extracción de plata pero también tenía su mercado, muy importante, porque se utilizaba para fabricar numerosos objetos de uso cotidiano. Cada lingote tiene una inscripción y entre las distintas inscripciones está la de Carulius Hispalius, correspondiente a una familia de origen italiano que explotaba minas en España.

Fuente: elpais.com

M.R.E. - Madrid - 15/04/2010

Enlaces relacionados:

http://cuore.lbl.gov/ 

What is CUORE/Cuoricino?

The recent success in neutrino oscillation experiments has shown that the three kinds of neutrinos can oscillate into one another. This implies that they have mass. The next questions are: what are their masses? which one is heaviest? lightest? are they Majorana or Dirac particles? Neutrino-less double-beta decay (0νββ) experiments such as CUORE address these questions.
CUORE stands for Cryogenic Underground Observatory for Rare Events, and is a detector for neutrinoless double-beta decay and other rare events such as detection of dark matter like axions or WIMPs. Cuoricino (little Cuore) is the prototype for CUORE, and is the largest double-beta decay experiment in operation today (cuore: Italian for "heart"). It is located within the mountain of Gran Sasso, about 100-km east of Rome in Italy.
The Underground Laboratories is located in the mountain of Gran Sasso (meaning something like "Big Pebble ") which provides rock overburden of 1400 m, or 3800 m.w.e., shielding us from much of cosmic ray background, reducing the muon flux to only those with energy > 1.4 TeV which results in 1 muon per square meter per hour inside the laboratories. In addition, the Gran Sasso rock has a low rate of natural radioactivity, making this an ideal place to do experiments that require very low background radiation, such as our double-beta decay experiment.