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El telescopio IceCube fue diseñado para observar neutrinos con energías alrededor y por encima de unos pocos décimas de un TeV (teraelectronvoltio = 1012 electronvoltios). A energías de unos pocos PeVs, o petaelectronvoltios, que son mil TeVs, (PeV = 1015 electronvoltios), se espera que los objetos cósmicos mas allá de nuestro sistema solar sean la fuente principal de los neutrinos.
Sin embargo, gracias al sub detector DeepCore, que tiene sensores de luz adicionales en la parte central y más profunda del detector, IceCube también puede detectar neutrinos de energías tan bajas como 50 GeV.
¿De dónde provienen los neutrinos observados en IceCube?
La energía de cada neutrino, ya sea baja o extremadamente alta, nos dice cómo y dónde fue creado.
Los neutrinos de baja energía son creados principalmente en procesos nucleares, como los que suceden en el sol o en el centro de una explosión de una supernova. Sin embargo, los neutrinos de más baja energía son los llamados neutrinos reliquia o fondo cósmico de neutrinos. Son similares a la radiación de fondo de microondas, pero estos neutrinos nos traen información acerca de un Universo todavía más antiguo, solo dos segundos después del Big Bang.
Ninguno de estos flujos de neutrinos de baja energía pueden ser detectados por IceCube.
Los neutrinos de alta energía son creados en colisiones de partículas de alta energía, como las colisiones de rayos cósmicos con la atmósfera de la Tierra. Su rango de energía se expande desde unos pocos MeVs (megaelectronvoltios = 106 electronvoltios) hasta décimas de un PeV.
Neutrinos todavía más energéticos fueron creados en o cerca de los objetos más extremos de nuestro universo – como los agujeros negros y las estrellas de neutrones – y alcanzan energías que van desde unos pocos TeVs hasta 10 PeVs.
Cuando los neutrinos son acelerados a energías por encima de 1016 electronvoltios, o 10 PeVs, cruzamos otro umbral de energía, llegando al rango conocido como neutrinos de ultra-alta energía o neutrinos cosmogénicos. Estos neutrinos son producidos por la interacción de rayos cósmicos de ultra-alta energía con la radiación cósmica de fondo de microondas.
Se espera que los neutrinos con energías alrededor de un PeV interactúen a un ritmo de un suceso por año y por kilometro cuadrado en su paso a través de la Tierra. En cambio, los neutrinos con energías alrededor de 100.000 PeV, o 1020 eV, solo interactúan a un ritmo de un suceso por siglo por kilómetro cuadrado.
IceCube puede medir neutrinos con energías por encima de unas pocas docenas de GeV, lo cual permite medir tanto el flujo atmosférico como el flujo extraterrestre de neutrinos. Alcanza su mayor sensibilidad por encima de la escala TeV, donde se espera que el flujo extraterrestre sea cada vez más dominante.
Si nuestra predicción acerca del flujo de neutrinos de ultra-alta energía es correcta, se necesitarán años de rendimiento excepcional por parte de IceCube para poder medir un numero significante de esos neutrinos. Aún así, detectar si quiera un solo neutrino de ultra-alta energía seria un logro extraordinario para la astrofísica de neutrinos.
¿Cómo se detectan los neutrinos en IceCube?
IceCube observa neutrinos de forma indirecta. Gracias a la interacción de partículas secundarias con el hielo, IceCube puede observar neutrinos de muy alta energía que han viajado a través del universo y que accidentalmente chocan contra un núcleo atómico en el hielo. La reacción nuclear de un solo neutrino produce una haz de partículas que crean un ráfaga de luz azul, llamada luz de Cherenkov (ver el video abajo). Esta luz reluciente es detectada por una matriz de sensores de luz óptica, llamados módulos de óptica digital o DOMs, que están congelados en el interior del hielo.
Los investigadores de IceCube han creado visualizaciones informativas para representar los datos tomados por más de 5,000 sensores. En la visualización del suceso, se muestra cada sensor con una esfera, cuyo tamaño escala en relación a la cantidad de luz/carga registrada. Los códigos de color ilustran el tiempo de llegada de la luz, que va desde el rojo (primeros impactos) al verde o azul (impactos posteriores).
Los patrones de luz y la cantidad de energía medida por los DOMs permiten a los investigadores calcular la energía y la dirección del neutrino entrante y muchas veces hasta aprender su “sabor” o especie.
En las figuras de arriba, se muestran tres patrones diferentes de neutrinos.
- El patrón en cascada, a la izquierda, es un patrón típico de un neutrino electrónico,
, que interactúa en el detector produciendo una cascada de partículas.
- Cuando un neutrino muónico,
, interactúa en IceCube, partrón central, crea un muón como partícula secundaria, que cruza todo el detector dejando una traza de luz en el detector.
- El tercer patrón, a la derecha, también llamado patrón de doble explosión, es producido por un neutrino tauónico,
, que interactúa con el hielo creando una cascada hadrónica (la primera cascada de color rojizo) y un tau, el cual decae casi inmediatamente creando una segunda cascada de partículas de color verdoso.
Sin embargo, IceCube no solo detecta neutrinos. También detecta muones producidos por la interacción de rayos cósmicos con la atmosfera de la tierra. De hecho, se detectan 1.000.000 de muones por cada neutrino observado en IceCube. Como es de esperar, a veces es difícil observar si la señal del detector proviene de un muón o de un neutrino. El patrón típico de un muon, , en IceCube, es una traza hacia abajo.
Ahora es tu turno: intenta adivinar qué partículas se ven en estas visualizaciones de IceCube.
