Derecha<-Observatorio de neutrinos IceCube ubicado en el Polo Sur. Izq-> Representación artística de un blazar emitiendo radiación gamma y neutrinos en dirección a IceCube. Créditos: IceCube/NASA
A principio del siglo XX se sabía que abundaba una radiación ionizante en el aire y se creía que se generaba por elementos radiactivos en la superficie terrestre. De ser cierto, la intensidad de esta radiación debía disminuir conforme nos alejáramos de la superficie. Fue hasta 1912 cuando el austriaco Victor Hess decidió emprender un viaje en globo con tres electroscopios para para medir la carga eléctrica. Su descubrimiento, por el cual recibió el premio Nobel en 1936, generaría un nuevo misterio en el campo de la Astrofísica: esta radiación ionizante aumentaba conforme se elevaban, por lo tanto, aquello que la causara debería provenir del espacio.
Esta conclusión causó mucha controversia entre la comunidad científica y no fue aceptada hasta que varios científicos reprodujeron el experimento y obtuvieron los mismos resultados, entre ellos el científico Robert Millikan, que había determinado la carga eléctrica del electrón y quien denominó a esta misteriosa radiación “rayos cósmicos”. Conforme se fueron haciendo más experimentos se determinó que los rayos cósmicos son, en su mayoría, protones y por lo tanto no podía conocerse su origen cósmico, ya que su trayectoria, desde su origen hasta la Tierra, es desviada por los campos magnéticos que abundan en el universo. Sin embargo, más allá de su composición, la característica más notoria es la energía que tiene cada rayo cósmico. Por ejemplo, mientras que un foco genera luz con energía de un par de electronvoltios, los rayos cósmicos alcanzan miles de millones de electronvoltios.
En la medida que la tecnología ha avanzado, se han desarrollado experimentos que nos permiten entender los procesos físicos que generan los rayos cósmicos. De hecho, se sabe que el Sol genera rayos cósmicos en erupciones solares, pero no son muy comunes y por lo tanto no son suficientes para explicar por qué los rayos cósmicos llegan de todas direcciones todo el tiempo. Lo que se sabe es que los rayos cósmicos son el resultado de procesos muy violentos en el universo, como lo son la aceleración de partículas cargadas por campos magnéticos muy intensos, procesos que también generan otro tipo de partículas, entre ellas, los neutrinos.
Los neutrinos son partículas sub-atómicas que originalmente fueron predichas de manera teórica, por Wolfgang Pauli en 1930, para explicar la aparente pérdida de energía en un proceso físico conocido como desintegración beta. Conforme avanzaron los estudios teóricos y experimentales se determinó que los neutrinos poseen características muy peculiares, entre las que destacan su carencia de carga eléctrica, lo que permite conocer su origen cuando son detectadas; su muy improbable interacción con la materia, que dificulta mucho su detección, y su casi nula masa. En conjunto, estas cualidades le han dado al neutrino el sobrenombre de partícula fantasma.
En la actualidad existe un observatorio llamado IceCube diseñado para detectar neutrinos. De manera regular, IceCube detecta neutrinos de baja energía que son el resultado de la interacción de los rayos cósmicos con las partículas en la atmósfera en donde se generan más partículas secundarias, entre ellas estos neutrinos. Sin embargo, el principal objetivo es detectar neutrinos de muy alta energía.
IceCube está construido en un kilómetro cúbico bajo la superficie en el Polo Sur. Está conformado por más de 5 mil sensores de luz que se activan cuando un neutrino interactúa con un átomo y crea una partícula secundaria cargada que, a su vez, produce la luz detectada. Después de aplicar ciertos algoritmos se puede calcular la dirección de la cual provenía el neutrino.
Uno de los descubrimientos más importantes en la historia de la física de partículas y de altas energías, logrado por parte del grupo de científicos que colaboran en IceCube, fue dado a conocer el pasado 12 de julio de 2018 en una rueda de prensa organizada por la Fundación Nacional de Ciencia (NSF, por sus siglas en inglés), principal auspiciador de IceCube, ¿de qué se trata este descubrimiento?
El 22 de septiembre de 2017, IceCube detectó un neutrino con una energía de 300 teraelectronvoltios. Inmediatamente se lanzó una alerta a telescopios y observatorios alrededor de la Tierra para que rastrearan un comportamiento inusual en la región donde provenía este neutrino. Fueron el telescopio espacial Fermi y el arreglo de telescopios Cherenkov MAGIC, ubicado en las Islas Canarias, quienes reportaron un incremento en el flujo de rayos gamma, provenientes de esa región, asociado a un blazar conocido con el nombre de TXS 0506+056. Los blazares son galaxias elípticas que en su centro tienen un agujero negro supermasivo del cual emana un jet, que apunta en dirección a la Tierra, en el que salen disparados chorros de luz y partículas.
Por si fuera poco, el equipo de científicos de IceCube revisó sus archivos y encontró que a finales de 2014 y principios de 2015 habían detectado 12 neutrinos provenientes de la misma fuente, lo que confirma que TXS 0506+056 es la primera fuente extragaláctica de neutrinos muy energéticos y rayos cósmicos, ¡sí, rayos cósmicos! Esto debido a que ambos tipos de partículas son generadas por los mismos procesos de aceleración, y se predice que la emisión de neutrinos también viene acompañada de la emisión de rayos gamma. Sin embargo, este es un tema de investigación aún abierto y latente en la física de altas energías.
Entre los telescopios y observatorios que confirmaron el inusual comportamiento en TXS 0506+056 en rayos gamma, están los satélites espaciales AGILE e INTEGRAL, y en tierra HAWC en México, H.E.S.S. en Namibia, y VERITAS en Estados Unidos. En rayos X, óptico y radio participaron las misiones espaciales MAXI, NuSTAR y Swift, y en la superficie terrestre los observatorios ASAS-SN en Chile y Estados Unidos, el GTC en España, Kanata en Japón, Kapteyn en España y Estados Unidos, Kiso en Japón, Liverpool en España, OVRO en Estados Unidos, SALT en Sudáfrica, Subaru en Japón y el VLA en Estados Unidos. Además del observatorio de neutrinos ANTARES, en Francia. Esta cooperación internacional remarca la nueva era en la Astrofísica, la llamada “multi-mensajero”, en donde un mismo fenómeno en el universo puede observarse detectando luz, así como como partículas, en este caso neutrinos. Anteriormente ya había sucedido con otro fenómeno, con la detección de ondas gravitacionales.
A todo esto, ¿por qué es importante el estudio de los neutrinos? Resulta que con lo único que interaccionan es la llamada fuerza débil y la gravedad (aunque muy poco porque la masa de los neutrinos es muy pequeña). La fuerza débil es la encargada de transformar los protones en neutrones, propiciar la fusión nuclear en el Sol y las demás estrellas, y crear los elementos que forman los planetas y la vida misma en la Tierra. Si la masa de los neutrinos fuera mayor, el universo luciría muy diferente, y probablemente no estaríamos aquí para verlo. Por lo tanto, estudiar y comprender la física de los neutrinos puede ayudarnos a conocer la estructura y evolución del universo, y con ello, nuestra propia historia.
Así que, el misterio de más de 100 años sobre el origen de los rayos cósmicos ha dado un paso gigante gracias al estudio de los neutrinos. Esperamos que en los próximos años descubramos nuevos progenitores, entendamos mejor la física detrás de estos procesos energéticos, de tal manera que se vaya cerrando, poco a poco, el misterio del origen de los rayos cósmicos.
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