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Entrevista

Francis Halzen: En la estela de neutrinos y rayos cósmicos

El científico en jefe del observatorio IceCube comenta el descubrimiento reciente de partículas de alta energía

Para el físico, el descubrimiento de los rayos cósmicos sólo fue posible a partir de la astronomía multimensajera

Léo Ramos Chaves

Con formación como teórico y desempeñándose en actividades en la interfaz entre la física de partículas, la astrofísica y la cosmología, el belga-estadounidense Francis Halzen, de 74 años, docente de la Universidad de Wisconsin-Madison, en Estados Unidos, participa desde hace más de 30 años en experimentos en el Polo Sur geográfico, en la Antártida, que se montaron para registrar el paso de neutrinos de alta energía por la Tierra. En 1987 comenzó a trabajar en el equipo del Amanda, un telescopio de neutrinos de primera generación que luego fue reemplazado por el Observatorio de Neutrinos IceCube. En operación desde 2003, el IceCube está integrado por una red de 5.160 detectores instalados  a profundidades entre 1,5 y 2,5 kilómetros bajo mil millones de toneladas de hielo en los alrededores de la estación antártica estadounidense Amundsen-Scott.

Como científico en jefe del observatorio, un proyecto con un presupuesto de 279 millones de dólares, Halzen coordinó al grupo de 300 investigadores de 12 países que en agosto de este año realizaron el mayor descubrimiento del IceCube: la identificación de la primera fuente de neutrinos de alta energía, las partículas más potentes del Universo. La fuente fue detectada fuera de la Vía Láctea y era un blazar, un tipo específico de galaxia elíptica gigante, con un agujero negro activo en su centro, denominado TXS 0506+056, a una distancia de 4 mil millones de años luz de la Tierra. El físico asistió en octubre a un evento promocionado por el Instituto Principia en São Paulo y, en la entrevista que se transcribe a continuación, comenta algunos detalles del hallazgo y habla de los planes de expansión del IceCube.

¿Cuál es la relación entre la producción de neutrinos de alta energía y la presencia de rayos cósmicos de alta energía?
No es posible acelerar rayos cósmicos en las cercanías de los agujeros negros o en cualquier otro sitio del Universo sin producir neutrinos. Como los rayos cósmicos no revelan su origen [porque son partículas cargadas eléctricamente y no viajan en línea recta], estamos obligados a buscar neutrinos en lugar de ellos. Los neutrinos se desplazan casi a la velocidad de la luz, son eléctricamente neutros y la materia no los absorbe ni son afectados por la deflexión que producen normalmente los campos magnéticos. Por lo tanto, un mapa con la ubicación de los neutrinos de alta energía también es un mapa de las fuentes de rayos cósmicos altamente energéticos. Hace bastante que sabíamos eso y ahora pudimos ubicar a la primera fuente de esas partículas. Nuestros datos apuntaban una región de origen del neutrino que medimos en septiembre de 2017 con un error de 0,1 grado. Solo por nuestra cuenta no habríamos podido haber descubierto dentro de esa región enorme cuál era exactamente la fuente del neutrino de alta energía. Las mediciones multimensajeras, como las que efectúa el satélite Fermi, vinieron en nuestra ayuda. El Fermi registró en el mismo período que nosotros una fuente de rayos gamma con un brillo siete veces superior dentro del área mayor que habíamos apuntado como la dirección de origen del neutrino de alta energía [la astronomía multimensajera conjuga las observaciones de la radiación electromagnética de varias energías con la detección de otras partículas y ondas emitidas por los cuerpos celestes]. El envío de esas coordenadas a los astrónomos se produjo en un trance de desesperación.

¿El descubrimiento del blazar TXS 0506+056 fue un golpe de suerte?
La galaxia que fue identificada como la fuente ya era conocida, pero nadie había detectado algo especial en ella. Aunque alguien me hubiera dicho que la fuente era una galaxia con un agujero negro supermasivo, nadie hubiera pensado en esa galaxia específicamente. La avistamos justo en ese momento, tan es así que ni siquiera todos los telescopios midieron el aumento exagerado de producción de rayos gama en esa galaxia. Algunos la midieron y otros no. Esa fuente en particular produjo neutrinos de alta energía en forma significativa una sola vez en 10 años. Y el pico de producción no fue durante ese evento estelar de 2017, cuando el IceCube registró solamente un neutrino de alta energía, sino en 2014. ¿Por qué no detectamos esa producción hace cuatro años? En realidad, la vimos. Un estudiante de posgrado de la Universidad de Ginebra [Asen Christov], ligado al IceCube, escribió sobre ese registro previo en su tesis doctoral. Pero no publicamos ningún paper sobre esa señal justamente porque no teníamos forma de determinar la fuente de donde provenían los neutrinos. Como ya he dicho, nuestra resolución para determinar el origen de esos neutrinos era de 0,1 grado, y eso configura una región del firmamento donde puede haber de todo.

Existen alrededor de 5 mil blazares conocidos. ¿Usted cree que todos ellos producen neutrinos y rayos cósmicos de alta energía?
Si entre un 5% y un 10% de ellos se comportan como la fuente que identificamos podríamos explicar la presencia de todos los neutrinos y rayos cósmicos de alta energía. Pero si ese no fuera el caso, el tema se torna más complejo. No me imagino que el espacio esté plagado de otros objetos tan energéticos. Mi pálpito es ese. Pero en el fondo no lo sabemos.

¿Entonces descarta la hipótesis de que las supernovas del interior de nuestra galaxia puedan ser la fuente de esas partículas?
En realidad no. Regularmente analizamos datos de supernovas. Yo apostaría que, más tarde o más temprano vamos a descubrir alguna fuente de neutrinos en las supernovas. Las supernovas funcionarían como aceleradores de partículas durante un corto período de tiempo. Su producción de energía es de un orden una o dos veces menor que en los blazares. Estamos acercándonos a esa clase de descubrimientos. Cuando podamos ampliar el IceCube, podremos hacer descubrimientos con mucha mayor rapidez. En 2022 comenzaremos a instalar nuevos sensores y cinco años más tarde todo tendría que estar funcionando. Vamos a realizar esa mejora con el IceCube en funcionamiento. No será necesario detener el experimento.

¿Cómo es posible eso?
Hoy en día conocemos tan bien cómo funciona la óptica del hielo que podemos incrementar la distancia entre los sensores del IceCube sin perder información para el experimento. Es posible duplicar la distancia de los sensores y recabar datos sobre un volumen de hielo 10 veces mayor. De los 5 mil sensores instalados en el IceCube, hasta ahora hemos perdido uno solamente. No teníamos idea de que todo funcionaría tan bien a 15 grados bajo cero (-15º C). Los sensores se encuentran en un ambiente estable, donde la temperatura es constante y no hay movimientos. Es un ambiente mucho mejor que el que disponen otros experimentos similares con sensores instalados bajo el agua.

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