La invención de herramientas nuevas en la astronomía consistentemente ha llevado al descubrimiento de nuevos fenómenos. El telescopio de Galileo fue utilizado para descubrir las fases de Venus y cuatro lunas que orbitan Júpiter, que sirvieron de evidencia a favor de la hipótesis de Copérnico de que la Tierra orbita al Sol. Los radiotelescopios fueron utilizados para descubrir objetos como los pulsares y las galaxias con núcleos activos (AGN, por sus siglas en inglés). Satélites que orbitaban la Tierra para verificar tratados que limitaban las pruebas de armas nucleares descubrieron destellos de rayos gamma (GRB, por sus siglas en inglés) producidos por estrellas supernovas a mitad de camino al borde del universo visible.
IceCube es un telescopio de neutrinos. En lugar de utilizar radiación electromagnética (radio, infrarrojo, luz visible, luz ultravioleta, rayos X y rayos gamma), IceCube utiliza neutrinos. E igual que muchas ideas innovadoras pasadas, esta nueva forma de estudiar el universo ha sido premiada con el descubrimiento de neutrinos de origen astrofísico. El detector de IceCube fue construido y es operado por una colaboración internacional de cerca de 300 científicos de múltiples países, incluyendo Estados Unidos, Alemania, Japón, Suecia, Bélgica, etcétera.
Los neutrinos son partículas subatómicas que interactúan muy débilmente. El neutrino típico pasa a través de personas, paredes y inclusive de un lado del planeta Tierra al otro con más facilidad aun que con la que la luz visible pasa a través de un panel de vidrio. Por ejemplo, cada segundo, 10 mil millones (1010) de neutrinos producidos en el centro de nuestro sol pasan por la uña del dedo gordo de la mano de usted, lector. Durante la vida de cada persona, en promedio, sólo un neutrino producido por el sol reaccionará o chocará con material del cuerpo de dicha persona.
Para compensar por la tremenda timidez del neutrino, IceCube es un detector gigantesco. Con un volumen de un kilómetro cúbico, Icecube podría contener la Pirámide del Sol de Teotihuacan, una de las estructuras más grandes fabricadas por la humanidad, aproximadamente mil veces. Para detectar neutrinos, IceCube utiliza hielo glacial extremadamente transparente en el casquete polar antártico en el polo geográfico sur. Neutrinos que interactúan en el hielo o en la roca debajo del hielo de IceCube, producen partículas subatómicas. Estas partículas que viajan cerca de la velocidad de la luz, producen una cantidad minúscula de luz azul —llamada radiación Cherenkov. IceCube es un arreglo de tres dimensiones de sensores de luz, fotomultiplicadores. No accidentalmente, HAWC opera de forma semejante.
El objetivo primordial de IceCube es utilizar neutrinos para estudiar objetos astrofísicos. En particular, al detectar neutrinos astrofísicos, se sospecha que se han encontrado las fuentes de rayos cósmicos. Descubiertos hace más de 100 años por Victor Hess, los rayos cósmicos son partículas subatómicas, principalmente protones, que llegan a la Tierra desde todas las direcciones. Sus fuentes están ocultas porque los rayos cósmicos tienen carga eléctrica y por ende no viajan en línea recta, sino que son desviados por campos magnéticos en nuestra galaxia o intergalácticos. Cuando los rayos cósmicos llegan a la Tierra toda información de su dirección de origen se ha perdido. Esto no sucede con los neutrinos; como estos no tienen carga eléctrica, viajan en línea recta. Las fuentes de rayos cósmicos también se espera que produzcan rayos gama que son detectables por HAWC. Detectar neutrinos con IceCube es prueba clara de haber encontrado fuentes de rayos cósmicos, más no así con la detección de rayos gama. Esto es porque hay formas de generar rayos gama que no tienen relación con los rayos cósmicos. Una sinergia muy interesante está en el estudio simultaneo de datos de IceCube y HAWC. Estudiando fuentes que simultáneamente produzcan neutrinos y rayos gama se puede aprender más respecto a las fuentes de rayos cósmicos.
Se sospecha que hay al menos dos clases de fuentes de rayos cósmicos. Dentro de nuestra galaxia los remanentes de explosiones supernova probablemente producen rayos cósmicos y consecuentemente rayos gama y neutrinos. Se cree también que hay fuentes extragalácticas de rayos cósmicos, pero su origen es más incierto. Dos candidatos para fuentes extragalácticas comunes son los GRB y los AGN.
A finales del año 2013 IceCube publicó un estudio en la revista Science, en la que presenta evidencia muy clara de haber detectado neutrinos que provienen fuera de nuestro sistema solar (los neutrinos producidos por el Sol fueron detectados en los años 60 por Raymond Davis). De acuerdo a una actualización de ese estudio presentada en el año 2014, IceCube utilizando tres años de datos ha encontrado 35 eventos. De estos, se espera que aproximadamente 16 sean de origen terrestre, producidos indirectamente por rayos cósmicos que chocan con nuestra atmósfera. El resto de los eventos son de origen astrofísico. Una de las formas en que IceCube identifica los neutrinos como de origen astrofísico es de acuerdo a su energía, que en el estudio publicado en Science, se puede determinar con buena precisión. Eventos que tienen origen atmosférico, tienen energías mucho más bajas que una fracción grande de los 35 eventos encontrados. Las energías de estos neutrinos es tan alta como 2 PeV, o unas 100 veces más que la energía que los científicos de CERN en Suiza, pueden realizar en aceleradores de partículas.
El método utilizado por IceCube para detectar estos neutrinos tiene la desventaja de que no permite medir con precisión la dirección de los neutrinos. Para el neutrino astrofísico típico, la dirección es conocida con una incertidumbre de 10 grados. Como comparación, la Luna o el Sol tienen medio grado de diámetro cuando son vistos desde la Tierra. Eso ha resultado en que Ice-Cube no puede decir con certeza cuál es la clase fue fuente astrofísica que produce los neutrinos. Para un número muy reducido de eventos, es posible determinar la dirección con una precisión de un grado. Pero aun así esto es insuficiente para saber qué clase de objeto produce los neutrinos.
Los científicos de IceCube, animados por su éxito, han propuesto un sucesor de IceCube, llamado IceCube-Gen2. De ser aprobado para construcción, Gen2 incluiría a IceCube, y con instrumentación nueva tendría un tamaño siete veces mayor que IceCube. El mayor tamaño no solamente ayudaría incrementando el número de neutrinos astrofísicos que se detectan por año, sino que permitiría determinar un mayor número de neutrinos para los que se puede medir la dirección con buena precisión. Esto podría llevar a descubrir el origen de los rayos cósmicos. En cualquier caso, la era de la astronomía de neutrinos de alta energía ha comenzado.
