Los neutrinos son abundantes partículas subatómicas que son famosas por atravesar cualquier cosa y todo, muy raramente interactuando con la materia. Aproximadamente 100 billones de neutrinos atraviesan su cuerpo cada segundo. Ahora, los científicos han demostrado que la Tierra detiene a los neutrinos energéticos, no atraviesan todo. Estas interacciones de neutrinos de alta energía fueron vistas por el detector IceCube, una matriz de 5, 160 sensores ópticos del tamaño de una pelota de baloncesto profundamente encerrados dentro de un kilómetro cúbico de hielo antártico muy claro cerca del Polo Sur.

Los sensores de IceCube no observan directamente los neutrinos, sino que miden destellos de luz azul, conocida como radiación de Cherenkov, emitidos por muones y otras partículas cargadas de movimiento rápido, que se crean cuando los neutrinos interactúan con el hielo, y por las partículas cargadas que se producen cuando los muones interactúan mientras se mueven a través del hielo. Midiendo los patrones de luz de estas interacciones en o cerca de la matriz de detectores, IceCube puede estimar las direcciones y energías de los neutrinos.

El estudio, publicado en la edición del 22 de noviembre de la revista Naturaleza , fue dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) y UC Berkeley.

Spencer Klein, que dirige el equipo de investigación IceCube de Berkeley Lab, comentó "Este análisis es importante porque muestra que IceCube puede hacer contribuciones reales a la física nuclear y de partículas, a energías por encima del alcance de los aceleradores de corriente ".

Sandra Miarecki, quien realizó gran parte del análisis de datos mientras trabajaba en su doctorado como investigadora de IceCube en Berkeley Lab y UC Berkeley, dijo, "Es una idea multidisciplinar". El análisis requirió aportaciones de geólogos que han creado modelos del interior de la Tierra a partir de estudios sísmicos. Los físicos han utilizado estos modelos para ayudar a predecir cómo se absorben los neutrinos en la Tierra.

"Creas muones 'simulados' que simulan la respuesta de los sensores, "Dijo Miarecki." Tienes que simular su comportamiento, tiene que haber un modelo de hielo para simular el comportamiento del hielo, también tienes que tener simulaciones de rayos cósmicos, y tienes que simular la Tierra usando ecuaciones. Entonces tienes que predecir en cuanto a probabilidad, con qué frecuencia un muón en particular atravesaría la Tierra ".

Los resultados del estudio se basan en un año de datos de aproximadamente 10, 800 interacciones relacionadas con neutrinos, procedente de un suministro natural de neutrinos muy energéticos del espacio que atraviesan un absorbente espeso y denso:la Tierra. La energía de los neutrinos fue fundamental para el estudio, ya que es más probable que los neutrinos de mayor energía interactúen con la materia y sean absorbidos por la Tierra.

Los científicos descubrieron que había menos neutrinos energéticos atravesando la Tierra hasta el detector IceCube que por caminos menos obstruidos. como los que vienen en trayectorias casi horizontales. La probabilidad de que los neutrinos sean absorbidos por la Tierra fue consistente con las expectativas del Modelo Estándar de física de partículas, que los científicos utilizan para explicar las fuerzas y partículas fundamentales del universo. Esta probabilidad, de que los neutrinos de una determinada energía interactúen con la materia, es lo que los físicos denominan "sección transversal".

"Comprender cómo interactúan los neutrinos es clave para el funcionamiento de IceCube, "explicó Francis Halzen, investigador principal del Observatorio de Neutrinos IceCube y profesor de física de la Universidad de Wisconsin-Madison. Mediciones de precisión en el acelerador HERA en Hamburgo, Alemania, nos permite calcular la sección transversal del neutrino con gran precisión dentro del Modelo Estándar, lo que se aplicaría a los neutrinos IceCube de energías mucho más altas si el Modelo Estándar es válido para estas energías. "Por supuesto, esperábamos que aparecieran nuevas físicas, pero lamentablemente encontramos que el modelo estándar, como siempre, resiste la prueba, "agrega Halzen.

James Whitmore, director del programa en la división de física de la National Science Foundation, dijo, "IceCube se construyó para explorar las fronteras de la física y, al hacerlo, posiblemente desafíe las percepciones existentes de la naturaleza del universo. Este nuevo hallazgo y otros que están por venir están en ese espíritu de descubrimiento científico ".

Este estudio proporciona las primeras mediciones de sección transversal para un rango de energía de neutrinos que es de hasta 1, 000 veces mayor que las mediciones anteriores en aceleradores de partículas. La mayoría de los neutrinos seleccionados para este estudio eran más de un millón de veces más energéticos que los neutrinos producidos por fuentes más familiares. como el sol o las centrales nucleares. Los investigadores se aseguraron de que las mediciones no fueran distorsionadas por problemas del detector u otras incertidumbres.

"Los neutrinos tienen una reputación bien ganada de sorprendernos con su comportamiento, "dijo Darren Grant, portavoz de IceCube Collaboration y profesor de física en la Universidad de Alberta en Canadá. "Es increíblemente emocionante ver esta primera medición y el potencial que tiene para futuras pruebas de precisión".

Además de proporcionar la primera medición de la absorción de neutrinos de la Tierra, el análisis muestra que el alcance científico de IceCube se está extendiendo más allá de su enfoque central en los descubrimientos de la física de partículas y el campo emergente de la astronomía de neutrinos hacia los campos de la ciencia planetaria y la física nuclear. Este análisis también interesará a los geofísicos que deseen utilizar neutrinos para obtener imágenes del interior de la Tierra. aunque esto requerirá más datos de los que se utilizaron en el estudio actual.

Para este estudio, la colaboración IceCube, que incluye más de 300 miembros de 48 instituciones en 12 países, amplió su asociación de investigación para incluir a los geólogos en un equipo multidisciplinario aún mayor.

Una comprensión más profunda de la frecuencia con la que un neutrino atravesará la Tierra para eventualmente interactuar dentro del detector IceCube también requiere un conocimiento detallado de las propiedades del hielo antártico. la interacción de los rayos cósmicos con la atmósfera de la Tierra, y cómo interactúan los neutrinos con la materia.

Los neutrinos utilizados en este análisis se produjeron principalmente cuando el hidrógeno o núcleos más pesados ​​de rayos cósmicos de alta energía, creado fuera del sistema solar, interactuó con los núcleos de nitrógeno u oxígeno en la atmósfera de la Tierra. Esto crea una cascada de partículas, incluyendo varios tipos de partículas subatómicas que se descomponen, produciendo neutrinos. Estas partículas llueven sobre la superficie de la Tierra desde todas las direcciones.

El análisis también incluyó una pequeña cantidad de neutrinos astrofísicos, que se producen fuera de la atmósfera terrestre, de aceleradores cósmicos no identificados hasta la fecha, quizás asociado con agujeros negros supermasivos.

Los eventos de interacción de neutrinos que se seleccionaron para el estudio tienen energías de al menos un billón de electronvoltios, o un teraelectronvoltio (TeV), aproximadamente la energía cinética de un mosquito volador. En esta energía, la absorción de neutrinos de la Tierra es relativamente pequeña, y los neutrinos de menor energía en el estudio sirvieron en gran medida como una línea de base libre de absorción. El análisis fue sensible a la absorción en el rango de energía de 6,3 TeV a 980 TeV, limitado en el extremo de alta energía por una escasez de neutrinos suficientemente energéticos.

A estas energías, cada protón o neutrón individual en un núcleo actúa de forma independiente, por lo que la absorción depende de la cantidad de protones o neutrones que encuentre cada neutrino. El núcleo de la Tierra es particularmente denso, por lo que la absorción es mayor allí. En comparación, los neutrinos más energéticos que se han estudiado en aceleradores de partículas construidos por humanos estaban a energías por debajo de 0,4 TeV. Los investigadores han utilizado estos aceleradores para apuntar rayos que contienen una enorme cantidad de estos neutrinos de menor energía a detectores masivos. pero solo una fracción muy pequeña produce interacciones.

Los investigadores de IceCube utilizaron datos recopilados desde mayo de 2010 hasta mayo de 2011, a partir de una matriz parcial de cadenas de 79 ", "Cada uno contiene 60 sensores incrustados a más de una milla de profundidad en el hielo.

Gary Binder, un estudiante graduado de UC Berkeley afiliado a la División de Ciencias Nucleares de Berkeley Lab, desarrolló el software que se utilizó para ajustar los datos de IceCube a un modelo que describe cómo se propagan los neutrinos a través de la Tierra.

De esto, el software determinó la sección transversal que mejor se ajustaba a los datos. El estudiante de la Universidad de Wisconsin-Madison, Chris Weaver, desarrolló el código para seleccionar los eventos de detección que utilizó Miarecki.

Se han realizado simulaciones para respaldar el análisis utilizando supercomputadoras en la Universidad de Wisconsin-Madison y en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética de Berkeley Lab (NERSC).

Los físicos ahora esperan repetir el estudio utilizando un análisis multianual de datos de la matriz IceCube completa de 86 cadenas, que se completó en diciembre de 2010, y observar rangos más altos de energías de neutrinos en busca de indicios de nueva física más allá del Modelo Estándar. IceCube ya ha detectado múltiples neutrinos de energía ultra alta, en el rango de petaelectronvoltios (PeV), que tienen un 1, Energía 000 veces mayor que las detectadas en el rango de TeV.

Klein dijo:"Una vez que podamos reducir las incertidumbres y podamos mirar energías ligeramente más altas, podemos ver cosas como los efectos nucleares en la Tierra, y efectos electromagnéticos colectivos ".

Carpeta agregada, "También podemos estudiar cuánta energía transfiere un neutrino a un núcleo cuando interactúa, dándonos otra prueba de la estructura nuclear y la física más allá del Modelo Estándar ".

Más datos reducirán las incertidumbres y proporcionarán neutrinos a energías aún más altas, abriendo nuevas oportunidades para sondear la física de neutrinos más allá del Modelo Estándar. También permitirá a los científicos explorar el límite entre el núcleo sólido interno de la Tierra y su núcleo externo líquido.

Un objetivo a más largo plazo es construir un detector más grande, lo que permitiría a los científicos estudiar neutrinos de energías aún mayores. El IceCube-Gen2 propuesto sería 10 veces más grande que IceCube. Su tamaño más grande permitiría al detector recolectar más datos de neutrinos a energías muy altas.

Algunos científicos buscan construir un detector aún más grande, 100 kilómetros cúbicos o más, utilizando un nuevo enfoque que busca pulsos de ondas de radio que se producen cuando los neutrinos de muy alta energía interactúan en el hielo. Las mediciones de la absorción de neutrinos mediante un detector de radio podrían usarse para buscar nuevos fenómenos que vayan mucho más allá de la física explicada en el Modelo Estándar y podrían escudriñar la estructura de los núcleos atómicos con mayor detalle que los de otros experimentos.

Miarecki dijo:"Esto es muy emocionante, no podría haber pensado en un proyecto más interesante".