La idea era tan descabellada que parecía ciencia ficción:crear un observatorio a partir de un bloque de hielo de un kilómetro cúbico en la Antártida para rastrear partículas fantasmales llamadas neutrinos que atraviesan la Tierra. Pero hablando con Benedickt Riedel, gerente de computación global en el Observatorio de Neutrinos IceCube, tiene perfecto sentido.

"Construir un observatorio comparable en cualquier otro lugar sería astronómicamente caro, "Explicó Riedel." El hielo de la Antártida es un gran material óptico y nos permite sentir los neutrinos como en ningún otro lugar ".

Los neutrinos son partículas subatómicas neutras con una masa cercana a cero que pueden atravesar materiales sólidos a una velocidad cercana a la de la luz. rara vez reacciona con la materia normal. Fueron detectados por primera vez en la década de 1950 en experimentos que operaron cerca de reactores nucleares. que también generan estas partículas. Además, se descubrió que fueron creados por rayos cósmicos que interactúan con nuestra atmósfera. Pero los astrofísicos creían que probablemente estaban muy extendidos y eran causados ​​por una variedad de eventos cósmicos, si tan solo pudieran ser detectados.

En tono rimbombante, los científicos creían que podrían ser pistas críticas para otros fenómenos. "El 20 por ciento del Universo potencialmente visible es oscuro para nosotros, "Explicó Riedel." Eso se debe principalmente a las distancias y la edad del Universo. La luz de alta energía también está oculta. Se absorbe o sufre una transformación que hace que sea difícil rastrear hasta una fuente. IceCube revela una porción del Universo que aún no hemos observado ".

Una nueva herramienta importante en la caja de herramientas de astronomía de mensajería múltiple

La astronomía de mensajeros múltiples describe un enfoque que combina observaciones de luz, ondas gravitacionales, y partículas para comprender algunos de los eventos más extremos del Universo. Los neutrinos juegan un papel importante en este tipo de investigación.

Antes de 1987, con la explosión de Supernova 1987a, todas las observaciones astronómicas extrasolares se basaron en fotones. Hoy dia, sistemas de detección adicionales se suman a nuestra visión del cosmos, incluyendo todos los levantamientos del cielo y detectores de ondas gravitacionales. Sin embargo, la mayoría de los observatorios solo pueden mirar una pequeña porción del cielo. Cubo de hielo, debido a la naturaleza de los neutrinos, puede observar los vuelos de estas partículas desde cualquier dirección, y por lo tanto actuar como un centinela de todo el cielo.

El bloque de hielo en la estación Amundsen-Scott del Polo Sur en la Antártida, de hasta cien mil años de antigüedad y extremadamente claro, está equipado con sensores entre 1, 450 y 2, 450 metros por debajo de la superficie. A medida que los neutrinos atraviesan el hielo, pueden interactuar con un protón o un neutrón, produciendo fotones que luego viajan a través del hielo, y puede ser detectado por un sensor. Los sensores transforman estas señales de las interacciones de los neutrinos (un puñado de una hora) en datos digitales que luego se analizan para determinar si representan una fuente local (la atmósfera de la Tierra) o una distante.

"Según el análisis, Los investigadores también pueden determinar de dónde proviene la partícula en el cielo, su energía, y aveces, qué tipo de neutrino - electrón, muon o tau — era, "dijo James Madson, director ejecutivo del Centro de Astrofísica de Partículas IceCube de Wisconsin.

En 2017, IceCube detectó un neutrino con una energía de 290 teraelectronvoltios (TeV) y envió una alerta. La detección desencadenó una extensa campaña que involucró a más de veinte telescopios espaciales y terrestres. Identificaron un blazar a 3.500 millones de años luz de distancia, identificar una fuente de rayos cósmicos de alta energía por primera vez y lanzar una nueva era en la detección de múltiples mensajeros, según Riedl.

"Buscamos continuamente en nuestro conjunto de datos casi en tiempo real en busca de eventos de neutrinos interesantes, ", explicó." Encontramos uno y enviamos una alerta por correo electrónico a la comunidad. Siguieron con todas estas otras observaciones electromagnéticas, señalando una fuente conocida de rayos gamma. También encontraron, en el transcurso de un mes, una mayor actividad desde la fuente ".

IceCube descubre evidencia de antineutrino electrónico de alta energía

El 10 de marzo 2021, IceCube anunció la detección de un evento de resonancia de Glashow, un fenómeno predicho por el físico premio Nobel Sheldon Glashow en 1960. La resonancia de Glashow describe la formación de una W? bosón, una partícula elemental que media la fuerza débil, durante la interacción de un antineutrino de electrones de alta energía con un electrón, alcanzando un máximo a una energía antineutrino de 6,3 petaelectronvoltios (PeV). Su existencia es una predicción clave del modelo estándar de física de partículas. Los resultados demostraron aún más la capacidad de IceCube para realizar física fundamental. El resultado fue publicado el 10 de marzo en Naturaleza .

Si bien esta escala de energía está fuera del alcance de los aceleradores de partículas planificados actuales y futuros, Se espera que los fenómenos astrofísicos naturales produzcan antineutrinos que van más allá de las energías PeV. La noticia del descubrimiento de resonancia de Glashow, "sugiere la presencia de antineutrinos electrónicos en el flujo astrofísico, al mismo tiempo que proporciona una mayor validación del modelo estándar de física de partículas, "escribieron los autores." Su firma única indica un método para distinguir neutrinos de antineutrinos, proporcionando así una forma de identificar aceleradores astronómicos que producen neutrinos a través de interacciones hadronucleares o fotohadrónicas, con o sin campos magnéticos fuertes ".

Las detecciones de neutrinos requieren importantes recursos informáticos para modelar el comportamiento del detector y diferenciar las señales extrasolares de los eventos de fondo creados a partir de las interacciones de los rayos cósmicos en la atmósfera. Riedel se desempeña como coordinador de una gran comunidad de investigadores, hasta 300 según sus estimaciones, que utilizan la supercomputadora Frontera en el Centro de Computación Avanzada de Texas (TACC), un recurso financiado por la National Science Foundation (NSF) para la comunidad nacional.

IceCube recibió tiempo en Frontera como parte de la pista de Asociación Comunitaria a Gran Escala, que proporciona asignaciones extendidas de hasta tres años para apoyar experimentos científicos de larga duración. IceCube, que ha recopilado datos durante 14 años y recientemente recibió una subvención de NSF para expandir sus operaciones durante los próximos años, es un ejemplo excelente de tal experimento.

"Parte de los recursos de Frontera contribuyeron a ese descubrimiento, ", Dijo Riedl." Hay años de simulaciones de Monte Carlo que se utilizaron para descubrir que podíamos hacer esto ".

IceCube utiliza recursos informáticos de varias fuentes, incluyendo Open Science Grid, el entorno de descubrimiento de ciencias e ingeniería extremas (XSEDE), su propio clúster de supercomputación local, y recientemente la nube de Amazon Web Services. Frontera es el sistema más grande utilizado, sin embargo, y puede manejar una gran parte de las necesidades computacionales de la comunidad de neutrinos, reservar recursos locales o en la nube para análisis urgentes, Dice Riedel.

"Es posible que gran parte de la informática en Frontera no esté directamente asociada con descubrimientos, pero ayuda en el camino, para discernir mejor las señales y desarrollar nuevos algoritmos, " él dijo.

Modelado de hielo y seguimiento de señales prometedoras

Los proyectos para los que los científicos de IceCube utilizan Frontera varían, pero normalmente implican cálculos para comprender mejor la naturaleza óptica del hielo en general (para que la trayectoria y otras características de las detecciones de neutrinos se puedan determinar con precisión); o cálculos para analizar eventos específicos que se consideran significativos.

El primer tipo de cálculo utiliza principalmente el trazado de rayos para calcular la trayectoria de la luz en el hielo a partir de partículas cargadas eléctricamente de alta energía producidas cuando los neutrinos interactúan. Los rayos pueden dispersarse o ser adsorbidos por defectos en el hielo, complicando el análisis. Usando unidades de procesamiento de gráficos (GPU), Riedel ha encontrado, puede acelerar las simulaciones para estudiar la propagación de la luz en el hielo cientos de veces. El equipo de IceCube se encuentra entre los usuarios más grandes del subsistema de GPU Frontera que incluye GPU NVIDIA RTX.

El segundo tipo de cálculo ocurre cuando los científicos reciben una alerta que dice que han recibido una señal interesante. "Iniciamos un cálculo para analizar el evento que puede escalar a un millón de CPU, ", Dijo Riedl." No tenemos esos, por lo que Frontera puede darnos una parte de ese poder computacional para ejecutar un algoritmo de reconstrucción o extracción. Recibimos ese tipo de eventos una vez al mes ".

"Las simulaciones a gran escala de la instalación de IceCube y los datos que crea nos permiten determinar con rapidez y precisión las propiedades de estos neutrinos, que a su vez expone la física de los eventos más energéticos del universo, "dijo Niall Gaffney, Director de Computación Intensiva de Datos de TACC. "Esto es clave para validar la física mecánica cuántica fundamental en entornos que no pueden ser prácticamente replicados en la Tierra".

Los astrónomos de hoy pueden observar el universo de muchas formas diferentes, y la informática es ahora fundamental para casi todos ellos. "Hemos pasado de la visión tradicional de un hombre con un telescopio mirando al cielo, a instrumentos de gran escala, hasta ahora la física de partículas y los observatorios de partículas, ", Dijo Riedl." Con este nuevo paradigma, Necesitamos grandes cantidades de computación durante cortos períodos de tiempo para hacer computación sensible al tiempo. y los grandes centros de computación científica como TACC nos ayudan a hacer nuestra ciencia ".