Como construir un telescopio de neutrinos.

Aunque no hemos hablado todavía de los neutrinos, seguir el orden que tenía pensado iba a resultar demasiado lento. Así que he decidido empezar la serie sobre IceCube hablando de su construcción, porque me parece una historia en sí fascinante.
IceCube, como sabéis, es un cubo de hielo de 1Km3 (de ahí el nombre). Surgen varias preguntas, ¿Por qué 1km3? ¿Por qué aquí en el Polo Sur? ¿En qué consiste exactamente y cómo se construyó algo así? Intentaré responder a estas preguntas en este post. Para quienes sabéis ya algo del tema, esto puede resultar excesivamente trivial, pero mucha de la gente que lee esto es ajena al mundo de la Ciencia y me gustaría hacerlo accesible para todos.

El Universo es un lugar mucho más interesante y agitado de lo que puede parecer al mirar al cielo una noche cualquiera. Desde hace 100 años, sabemos que nos está bombardeando constantemente una lluvia de partículas desde todas las direcciones posibles. Esas partículas (llamadas rayos cósmicos) llegan a alcanzar energías descomunales, así que en algún lugar del Universo, están ocurriendo cosas que liberan una energía inconcebible. Conocemos algunos de estos ‘objetos violentos’: explosiones de supernovas, agujeros negros supermasivos en el centro de algunas galaxias, etc. Pero no está todavía claro cómo se producen los rayos cósmicos de más alta energía. Las hipótesis más razonables, implican también la producción de neutrinos. Los rayos cósmicos son partículas cargadas, así que salvo los de extrema energía, la mayoría son curvados en su viaje hasta la Tierra por los campos magnéticos intergalácticos y por tanto, es muy difícil saber de dónde vienen exactamente. Además, si se el lugar donde se producen está relativamente lejano, estos rayos terminan por absorverse por el camino. Pero los neutrinos, al no tener carga eléctrica, y ser tan difíciles de frenar, ‘apuntan’ directamente al lugar donde se han producido. Así que detectar neutrinos puede resultar clave para desentrañar el misterio de los rayos cósmicos. Pero además, dado que nunca hemos mirado al universo con neutrinos, no sabemos siquiera lo que podemos llegar a encontrar. Construir un telescopio de neutrinos, es abrir una nueva ventana al Universo, y por tanto, tiene un alto interés científico.

Los nucleos de galaxias con agujeros negros supermasivos, pueden emitir particulas de muy alta energia que a su vez pueden dar lugar a neutrinos de alta energia.


Ok. Imaginad que esto convence a los políticos. La siguiente pregunta es, ¿qué es lo que vais a construir exactamente, y cuánta ‘pasta’ necesitáis? Aquí necesitamos la ayuda de los físicos teóricos. Ellos saben calcular (de acuerdo a los modelos razonables que hemos mencionado) cuántos neutrinos, y de cuánta energía, deben estar produciéndose y llegando a la Tierra. Básicamente, rayos cósmicos de muy alta energía, implican neutrinos de muy alta energía. Lo que hemos ido aprendiendo a la largo del último medio siglo sobre los neutrinos, gracias a experimentos y la física teórica, permite calcular la probabilidad de que estos neutrinos choquen con la Tierra. Y ahí surge el punto clave. Si uno quiere tener alguna probabilidad de detectar un buen puñado de neutrinos de fuentes lejanas en un tiempo razonable, necesita tener un detector de al menos 1km3. Como he comentado alguna vez, detectar un neutrino es como ganar un premio de la lotería. Es muy difícil, así que si quieres aumentar tus posibilidades, tienes que comprar muchos boletos, y jugar durante mucho tiempo.

Ahora ya sabéis por qué un telescopio de neutrinos tiene que tener ese tamaño. Los primeros detectores de neutrinos, diseñados para detectar neutrinos de reactores nucleares y del Sol, eran (son) grandes esferas de unos cuantos metros de diámetro (el tamaño necesario, de nuevo, se obtiene a partir de la probabilidad de detectar neutrinos de esas fuentes en particular). Pero ¿cómo construye uno una esfera de 1km3? Como dicen los angloparlantes, “no way”.
Para encontrar una solución, hay que entender qué ocurre cuando una partícula choca o atraviesa la materia. Esto, naturalmente, depende de la partícula, de la energía, etc. Pero los físicos de partículas llevan estudiando esto 100 años. Para detectar partículas, simplemente hay que ‘aprovechar’ alguno de los fenómenos que se producen en ese choque (cargas eléctricas, luz, calor, …). Esto es general a cualquier detector de partículas. Dependiendo del fenómeno utilizado, se tiene un tipo de detector u otro, y en general, cada uno tiene sus ventajas e inconvenientes, y es más adecuado para un tipo de partículas u otro.

Uno de esos fenómenos conocidos desde hace bastante tiempo es la radiación Cherenkov. Cuando una partícula cargada atraviesa un medio a una velocidad suficientemente elevada (mayor que la luz en ese medio), la partícula genera una especie de onda de choque en forma de luz. Una luz azulada que se conoce como radiación Cherenkov. Pero, un momento, hemos dicho que los neutrinos no son partículas cargadas, ¿cómo pueden producir esa luz? Los neutrinos, efectivamente, atraviesan la materia sin dejar absolutamente ningún rastro, pero de vez en cuando, alguno choca con un átomo de la materia que está atravesando y como resultado de ese choque, se produce una partícula cargada. Dado que el neutrino viaja a gran velocidad, la partícula cargada generada también sale ‘disparada’ a gran velocidad y por tanto, genera ese pequeño destello de luz. ¡Voila! Tenemos una posible técnica para detectar neutrinos. Ya casi tenemos nuestra propuesta de telescopio. ¿Qué más hace falta?

Como podéis imaginar, si queremos detectar luz, lo imprescindible es que el medio en cuestión sea transparente, para que esa luz no sea absorbida. Es decir, medio transparente, y de 1km3 al menos de tamaño. ¿Alguna idea? Efectivamente, o usamos el mar, o usamos el hielo! Podemos distribuir sensores de luz por una región que abarque 1km3 y ya lo tenemos. ¿Pero cuantos? Imaginad que el medio es poco transparente y la luz que se produce, se absorbe enseguida, digamos 1 metro. Necesitaríamos colocar los sensores a menor distancia que eso. Una cuenta sencilla nos da … 1.000.000.000 (mil millones) de sensores! Totalmente inviable. Si la luz, en lugar de recorrer 1m recorriese 100m, necesitaríamos ‘tan solo’ 1000 sensores, ¡mucho mas razonable! Necesitamos pues un lugar donde el agua o el hielo sea lo suficientemente transparente. Éstas son más o menos las cuentas que tienen que hacer los físicos cuando diseñan un experimento. En la práctica, lo que se hace tras estas ‘cuentas de la vieja’ es lo que se llama una simulación. Se ‘construye’ el detector en un ordenador y se le ‘envían’ partículas para ver si la respuesta obtenida cuadra con lo esperado y por tanto, el detector, diseñado con esas características, puede alcanzar el potencial deseado. Las simulaciones sirven también para optimizar el diseño (forma, distribución de sensores, etc.) cosa que con lápiz y papel suele ser difícil de hacer.

Ya lo tenemos, sólo queda escribir una propuesta al ministerio de ciencia correspondiente explicando todos los detalles y el potencial de tu experimento y defenderlo con entusiasmo. Con un poco de suerte, recibes los millones necesarios para construir tu telescopio.

Los primeros intentos de construir uno de estos telescopios tuvieron lugar en los ’80. El proyecto DUMAND intentó construir un telescopio en el Pacifico, pero la tecnología no estaba lo suficientemente avanzada, y tras varios fracasos, el proyecto se canceló, aunque sembró la semilla para el futuro. Poco después (en los ‘90), los rusos construyeron con éxito el primer telescopio de neutrinos (aunque todavía a una escala menor del km3) en el lago Baikal (el mayor lago de agua dulce del mundo). Este lago se hiela en invierno lo que sirve los científicos de plataforma para depositar las cadenas de sensores de luz (200 sensores) ocupando un volumen total de 200000m3 (un cubo de unos 60m de lado). A pesar de los problemas que ha sufrido la Unión Soviética en estas décadas, creo que el proyecto sigue funcionando.

En los 90 se iniciaron también intentos de construir algo parecido en Groenlandia, pero las medidas de la transparencia del hielo descartaron tal posibilidad. Entonces se empezó a mirar a la Antártida. El hecho de que Estados Unidos mantuviera una base permanente en el Polo Sur, y que el espesor de hielo aquí sea de casi 3km resultaba prometedor. Los primeros estudios indicaron que la calidad del hielo a unos 2km de profundidad, era excelente. Y ese es el origen de IceCube. Así que ahora ya sabéis por qué tan grande, y por qué aquí. Pero ¿cómo fue en sí la construcción de IceCube?

IceCube no se construyó de golpe y porrazo. Primero existió un proyecto más pequeño a modo de prueba de viabilidad, aunque produjo también sus datos científicos (publicados incluso en Nature), que estuvo recabando hasta 2009. El proyecto se llamaba AMANDA. El éxito de este proyecto convenció a la NSF (National Science Foundation), la agencia de ciencia americana, de que merecía la pena lanzarse a construir IceCube, que sería el primer telescopio de neutrinos en alcanzar el tamaño crítico del km3. En 2004 llegaba el visto bueno. A partir de ahí, en el tiempo record desde diciembre de 2004 hasta diciembre de 2010, se perforaron 86 agujeros y en cada uno de ellos se incluyeron 60 sensores de luz con la electrónica adecuada para un primer procesamiento de las señales, todo ello desarrollado específicamente para el experimento. Es el único proyecto que conozco que en el tiempo propuesto, y con el dinero asignado, ha construido más de lo proyectado (80 cadenas). Las últimas 6 están algo más juntas, lo que permite al experimento detectar neutrinos de energía algo menor de la inicialmente proyectada. Actualmente IceCube engloba 39 instituciones de 11 países distintos. Cada una aporta su experiencia y saber hacer en alguno de los muchos aspectos que supone construir un experimento así.

La fase más delicada es la perforación y colocación de los sensores ópticos en el hielo. Perforar agujeros de casi 1m de diámetro y 2.5km de profundidad, es una tarea bastante complicada. La idea es ir derritiendo el hielo. Para ello, se usa agua muy caliente a alta presión. Pero resulta que los primeros 50m aproximadamente es nieve dura, porosa, y si se utilizase agua, no se conseguiría un agujero perfecto. Esa primera capa se perfora con una punta caliente. Al llegar a la zona donde hay hielo lo suficientemente duro, se sustituye la punta por una manguera que expulsa agua caliente a presión. El hielo derretido es bombeado a la superficie y se crea un circuito cerrado. Conforme se va perforando, como el agua ocupa menos volumen que el hielo, hay que ir añadiendo más agua al circuito. Imaginad toda la maquinaria necesaria, mangueras larguísimas y resistentes, bombas muy potentes, sistemas para calentar el agua… Todo eso tiene que ser enviado hasta el Polo, así que tiene que caber en los LC-130 que vuelan hasta aquí.

Pero no queda ahí la cosa. Si se perfora demasiado deprisa, el agujero no será suficientemente grueso, y además, será muy fácil que se desvíe y no salga recto. Hay detallados cálculos detrás del proceso, para estimar la tasa óptima de perforación. Si el ritmo es el adecuado, un gran peso en la punta y el efecto de la gravedad, aseguran que el agujero salga lo suficientemente recto. En los 2.5km de profundidad que tienen, la desviación suele ser de tan solo ¡1m aproximadamente! Hay otro punto esencial. Una vez derretida la columna hasta los 2.5km de profundidad, se extrae el sistema de perforación y se procede a ir insertando uno a uno los sensores ópticos, todos ellos conectados por largos cables hasta la superficie. Pero entendéis que para que este proceso tenga éxito, la columna debe mantenerse liquida durante el tiempo que dura el descenso de los sensores (unas cuantas horas). En cada columna se colocan 60, separados 17m entre sí y colocados entre los 2.5km y los 1.5km de profundidad. Esto, de nuevo, requiere cálculos precisos de la tasa de congelación del agua en la columna. En alguna ocasión (muy pocas, afortunadamente) el agujero se ha congelado antes de tiempo atrapando las bombas de circulación del agua líquida. Cuando esto ocurre, todo el material se pierde, es irrecuperable! Entendéis lo delicado del proceso.
Pues bien, a pesar de lo complicado que suena y de que, como a estas alturas ya sabréis, aquí solo se pueden hacer este tipo de operaciones en los meses de verano (básicamente noviembre, diciembre y enero) los 86 agujeros se completaron en 6 temporadas. La experiencia del equipo de perforadores (drillers) permitía completar en las últimas fases una cadena completa en menos de 48 horas. Ésta es una de las razones que permitió ampliar el proyecto con las últimas 6 cadenas en el centro. Es lo que se llama DEEPCORE. IceCube ha estado tomando datos con las cadenas que se iban completando. Por eso en los datos, hay varias fases, que se denotan como IC22, IC59 o IC86 (el detector completo).

Es importante mencionar también que encima de cada columna, se añadieron dos grandes tanques de agua con sensores de luz. Estos tanques cubren así toda la superficie superior de IceCube. Forman lo que se llama IceTop y sirve como una especie de filtro para los sensores en profundidad, pero también como detector para las cascadas de rayos cósmicos que llegan a la superficie (ya hablare quizá de esto más adelante). El agua de los tanques se congela, pero este proceso se tiene que controlar también muy bien, para que no se forme ninguna burbuja y el hielo sea totalmente transparente.

Los cables que salen de cada uno de los agujeros, junto con los de los tanques asociados a ese agujero, forman un ‘supercable’ que es conducido hasta un edificio que está situado justo en el centro de todos los agujeros. Es nuestro laboratorio, el famoso ICL. Los cables procedentes de los sectores norte y sur penetran por sendas columnas plateadas hasta el segundo piso, donde se distribuyen a las máquinas que procesan la información (toda esa parte será objeto de otra entrada).

El 99% de los más de 5000 sensores colocados en el hielo funcionan perfectamente. El proceso más delicado es la re-congelación de los agujeros. En esta fase, los conectores pueden sufrir grandes tensiones. Es en este momento cuando se han perdido la mayoría de los sensores que no funcionan. Se espera, no obstante que los que han sobrevivido a esa ‘tortura’, puedan mantenerse funcionando correctamente durante quizá unos 20 años. Esos sensores nunca se recuperarán. Dentro de unos 100.000 años, si no se ha derretido antes la Antártida, alcanzarán el mar en su lento derivar. Como ya he comentado alguna vez, el hielo se desplaza unos 10m al año. Esto crea naturalmente deformaciones, que tienen que ser tenidas en cuanta a la hora de reconstruir la trayectoria de las partículas, por eso hay instrumentos en el hielo que permiten medir estas variaciones y una de nuestras tareas como WOs de realizar este tipo de medidas regularmente. Por cierto, también hay un par de cámaras y de vez en cuando tenemos que encenderlas para observar directamente el estado del hielo en las profundidades. Son medidas muy interesantes, ¡nos permiten ver en directo el corazón del hielo antártico!

Hasta ahora he hablado de la perforación, pero no he hablado de los perforadores (drillers). Este es un trabajo realmente duro, con muchas horas expuestos a temperaturas gélidas, con turnos para poder trabajar las 24h del día (bueno, quizá la única ventaja es que aquí, el turno de noche, sigue siendo ‘de día’ ?) y expuestos a accidentes. Algunos de los más graves ocurridos en la base se han producido durante la fase de ‘drilling’. Sin ir más lejos, mi compañero Sven comenzó su andadura antártica como ‘driller’ para Amanda y posteriormente IceCube. Durante la primera temporada de IceCube (2004/05), un desafortunado accidente le rompió la espalda y tuvo que ser evacuado a Nueva Zelanda. Permaneció un mes ingresado y sedado durante semanas para poder soportar el dolor. Como comprenderéis, es un honor más que merecido el hecho de que todos los ‘drillers’ tengan un módulo óptico con su nombre. Así, el sensor 58 (uno de los más profundos) de la cadena 45, se llama precisamente Sven_Lidstrom. Cada uno de los más de 5000 sensores tiene nombre propio. Ademas de ‘drillers’, llevan nombres de vientos, fobias o películas.

Bueno, ya sabéis algo más de los entresijos y de la historia de IceCube. En futuras entregas me centraré en toda la cadena de procesos desde que un neutrino choca en el hielo hasta que se consigue reconstruir en nuestros ordenadores la información original y cómo gracias a ello podemos estudiar qué ocurre en lugares remotos del Universo.

Links:
-http://www.youtube.com/watch?v=cLO1997FJcg (Proceso de perforacion. Animacion.)
-http://www.youtube.com/watch?v=fLWFhn6iATw (video desde el campo de perforacion.)
Podeis encontrar mas videos en Youtube, pero ojo, IceCube es tambien un rapero :)


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11 Responses to Como construir un telescopio de neutrinos.

  1. angel sierra says:

    Carlos se que eres un crak,el articulo una pasada para mi,el blog de la universidad fué muy bonito con el esquema de lo que explicas.Me hago cruces lo que es construir el observatorio ese,con esas temperaturas y distancias.Y el trabajo vuestro,que no es de este mundo.Te seguiré como en las novelas por capítulos,SALUDOSSSSSSSSSSSS,,,,,

  2. Mauricio Frapiccini says:

    Muy buena clase de física ¡¡¡¡¡ Interesantisimo tu trabajo y muy didáctica tu explicación. Gracias. Sigue así dándonos más detalles de tu trabajo, que es apasionante.

  3. Javier Polar says:

    Leído enterito, :)

    Dos cosas por mi parte:

    1º- La primera no demasiado importante y ademas es en plan repelente niño Vicente:)

    “A pesar de los problemas que ha sufrido la Unión Soviética en estas décadas, creo que el proyecto sigue funcionando.”
    Yo ahì añadiría “la antigua unión soviética” porque tal y como está escrito parece que aun sigue existiendo.

    2º- Acabo con “centelleos” en los ojos al leer blanco sobre fondo negro, Se acaba haciendo algo cansado, a lo mejor es culpa mía por la edad :) , no se si se puede arreglar el tema.

    El articulo esta fenomenal y esta muy bien que lo expliques para “cafres” :) como yo, me leerè los demás, me interesa mucho el tema.

    Ye he visto que has puesto que los neutrinos no aparecen, ya lo habìa leído por otro lado, te dejo el enlace por aquì por si quieres leerlo:

    http://francisthemulenews.wordpress.com/2012/04/19/el-misterio-de-los-neutrinos-ultraenergeticos-que-no-han-sido-detectados-por-icecube/

    Me imagino que ya conocerás la pagina.

    Un saludo.

    • Carlos Pobes says:

      Muchas gracias Javier por los comentarios.
      Lo de las letras blancas ya me lo han comentado, pero me da algo de miedo empezar a retocar la plantilla y como no teno experiencia, no se si la alternativa puede ser igual de mala o peor.
      El blog si lo conocia, es muy bueno, con informacion siempre candente.
      ciao!

  4. gabriela says:

    Hola Carlos, te doy las gracias por las explicaciones que me han permitido comprender perfectamente cómo y por qué se construyó este observatorio en el continente Antártico. Sólo te pido me aclares estas dos frases aparentemente contradictorias:

    ” Pero los neutrinos, al no tener carga eléctrica, y ser tan difíciles de frenar, ‘apuntan’ directamente al lugar donde se han producido.”

    ” lo que permite al experimento detectar neutrinos de energía algo menor de la inicialmente proyectada.”

    Yo tampoco me atrevería a hacer cambios en el color de fondo y las letras…sólo puedo sugerir pasar el mouse sobre el texto y así poder leerlo en otro color.

    Besos y gracias.

    • Carlos Pobes says:

      la luz que producen los neutrinos al chocar con el hielo depende de la energia, asi que si se colocan los sensores mas juntos, pueden detectar neutrinos que han producido menos luz, es decir de menos energia. Aun asi, los neutrinos sigue nsiendo muy dificiles de detectar y a pesar de lo grande que es el telescopio se detectan muy pocos al dia. No se si te aclara o no tus dudas.
      Ciao!

  5. gabriela says:

    Seré cargante, pero quiero “estar bien a caballo” en esto. Por lo tanto:

    ¿Es el choque del neutrino con el hielo el que produce cierta energía, y esta energía es luz detectable?

    Y no te rías de tu amiga preguntona!!!

    Besos.