y XV. La Física sigue evolucionando

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¿Cuál es la naturaleza de la Materia Oscura? ¿Qué es la Energía Oscura que acelera la expansión del universo? ¿Cuál es la masa de los neutrinos? La teoría del Big Bang supuso una herramienta para entender la historia del Universo, pero aún surgen cuestiones sobre la evolución de la materia a todas las escalas. Las Astropartículas son probablemente una de las claves en todos estos misterios. Una mejor comprensión de estos nuevos mensajeros ofrecerá una marea de nuevos conocimientos. Pero surge otra pregunta: ¿encajarán estos descubrimientos en nuestras teorías actuales o nos obligarán a desarrollar una nueva física, revolucionando una vez más nuestra visión del mundo?

Debido a la Materia Oscura, la estructura del Universo se asemeja a una gran tela de araña. ¿Aceleradores? ¿Experimentos de Astropartículas? Sea de donde sea que lleguen nuevas revoluciones, cambiarán seguro nuestra concepción de la materia, el Universo y su historia. Por otro lado, proyectos como LAGUNA pueden arrojar luz sobre los secretos de los neutrinos y sus extrañas propiedades. ¿Abrirán una nueva era en la Física más allá del Modelo Estándar?

XIV. Transferencia de conocimiento

Los retos tecnológicos de los físicos estimulan a los científicos e ingenieros. Los aparatos desarrollados para estas investigaciones básicas encuentran otras aplicaciones y algunos permiten por ejemplo explorar el interior de los volcanes, el cuerpo humano, la corteza terrestre, monitorizar la atmósfera y los océanos…

Para detectar las señales inducidas por los hipotéticos WIMPs, partículas masivas postuladas como posibles constituyentes de la materia oscura, algunos experimentos alojados en laboratorios subterráneos utilizan detectores que trabajan a temperaturas cercanas al cero absoluto y sensibles a variaciones de temperatura de millonésimas de grado. Los laboratorios subterráneos ofrecen también el entorno ideal para medidas de bajas contaminaciones y otras aplicaciones.  Por otro lado, los detectores de rayos cósmicos pueden utilizarse para inspeccionar el interior de volcanes o pirámides, como observatorios oceánicos para estudiar los fondos abisales.

Imagen: El volcán Sarychev en erupción (NASA).

XII. Inundaciones cósmicas

Durante un siglo, el origen de los rayos cósmicos más energéticos ha constituido un misterio. Desde todas las direcciones del espacio, partículas de energías extremas atraviesan el espacio casi a la velocidad de la luz. Identificar las fuentes capaces de acelerar estas partículas a energías millones de veces superiores a las producidas en los mayores aceleradores de la Tierra es uno de los retos de la nueva generación de grandes observatorios.

Los rayos cósmicos colisionan en la alta atmósfera provocando flujos de partículas secundarias llamados ‘cascadas’ o ‘lluvias’ de partículas, que pueden extenderse en superficie a lo largo de decenas de kilómetros cuadrados. Los rayos cósmicos más energéticos se cree que son producidos en los chorros emitidos por los núcleos activos de algunas galaxias y son cazados en observatorios que cubren enormes extensiones de superficie, ya que son muy escasos: uno por kilómetro cuadrado por siglo! En la pampa argentina un bosque de 1600 detectores registra estas partículas secundarias, es el observatorio Pierre Auger. Este nuevo tipo de instrumentación estudia la física de los rayos cósmicos analizando sus interacciones e identificando las direcciones de las que proceden. La misión espacial JEM-EUSO es una colaboración internacional de doce países, liderada por Japón y donde siete países son europeos, que permitirá desde la Estación Espacial Internacional detectar la radiación cósmica a las más extremas energías jamás observadas, en el rango del ZeV (1021 electronvoltios).

Imagen: Astronomy Picture of the Day #608 (NASA)

XI. Gravedad esquiva

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Los fenómenos más violentos, como la formación de agujeros negros, explosiones de supernovas, colisiones de dos estrellas de neutrones, hacen vibrar el espacio-tiempo. Como un eco, las ondas gravitacionales generadas deben invadir todo el Universo. Escuchando estas vibraciones casi imperceptibles, algunos instrumentos ultra sensibles, capaces de detectar fluctuaciones tan pequeñas como la milmillonésima de un diámetro atómico, observan el espacio incansablemente para identificar estas sacudidas del Universo.

Según la Relatividad de Einstein, la presencia de materia curva el espacio-tiempo. Una explosión estelar debería producir ondas gravitacionales, moviéndose a la velocidad de la luz. Una de las posibilidades para detectarlas es colocar en el espacio, en superficie, o bajo tierra interferómetros láser extremadamente sensibles, como el proyecto ET (Telescopio Einstein). Estos experimentos intentan medir con gran precisión el movimiento infinitesimal de masas suspendidas libremente, que podrían revelar la existencia de irregularidades en el espacio-tiempo provocadas por algún lejano cataclismo cósmico o incluso por la gran explosión primordial: el Big Bang.

Imagen: «Choque de dos agujeros negros y la onda gravitacional generada», una simulación de la NASA.

X. Enigmáticos neutrinos

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Ocultos en las profundidades, como miles de ojos, unos detectores de luz escudriñan el fondo oceánico para detectar las imperceptibles estelas que revelen la interacción de neutrinos de alta energía. Estas partículas han atravesado enormes distancias sin ser alteradas por el medio intergaláctico llegando hasta la Tierra. Una mínima fracción podrá ser detectada bajo el océano permitiendo desvelar algunos de los secretos más candentes del Universo.

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La supernova de 1987 fue la primera oportunidad de detectar neutrinos procedentes de una fuente lejana. Emitidos desde el mismísimo corazón de las estrellas, estas partículas nos permiten tener acceso a algunos de los procesos más violentos del Universo como las supernovas (vista aquí en rayos gamma), agujeros negros… Esta nueva ventana al Universo está limitada por la débil interacción de los neutrinos con la materia. Detectar los muones inducidos por esta interacción requiere enormes detectores en profundidad para estar blindados de la radiación cósmica que existe en superficie. El océano ofrece un entorno ideal para distribuir miles de detectores de luz. Con un volumen de un kilómetro cúbico, el telescopio submarino KM3NeT será capaz de detectar cientos de eventos al año.

Imágenes: «Telescopio KM3NeT» (AspERA) y «Supernova SN1987A» (NASA).

IX. Energías descomunales

Inalterados por los campos magnéticos del Universo, los fotones gamma viajan por el cosmos. Los más energéticos pueden iniciar destellos de luz Cherenkov al entrar en la atmósfera debido a las lluvias de partículas secundarias que producen. Para cazar esta débil traza se han inventado nuevos y revolucionarios telescopios con detectores de alta velocidad de respuesta.

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Algunas estrellas como los púlsares son auténticas catapultas cósmicas, emitiendo partículas y fotones de muy alta energía. Desde tierra, o desde el espacio, nuevos telescopios gamma permiten desentrañar los procesos de aceleración que tienen lugar en el seno de estas estrellas ultra densas. Campos magnéticos intensos combinados con la frenética rotación de los púlsares son los responsables de estas emisiones. El experimento CTA (un conjunto de telescopios Cherenkov con detectores extraordinariamente sensibles) permitirá avanzar en la comprensión de la física de agujeros negros, objetos compactos, supernovas…

Fonts

Imágenes: «Conjunto de telescopios Cherenkov CTA» (AspERA) y «Representación de un púlsar» (NASA).

VIII. En busca de la materia oscura

: Cluster Crash Illuminates Dark Matter Conundrum

Nuestras observaciones nos demuestran que la mayor parte del Universo es indetectable por nuestros telescopios. Hemos detectado la presencia de materia que no emite luz y que podría representar hasta un 25% del contenido total del Universo. Esta materia oscura ha de estar compuesta por partículas por ahora desconocidas, casi indetectables, pues interaccionan muy débilmente con la materia. Uno de los principales retos de la Física de Astropartículas es detectar estas partículas y desvelar su naturaleza.

Las estrellas en el seno de las galaxias, giran demasiado deprisa. Para explicar que no salgan despedidas las galaxias deben contener una importante cantidad de materia no luminosa. Existen numerosas evidencias que soportan esta tesis. De esta forma, sólo el 5% del Universo está compuesto por materia visible. El 25% es Materia Oscura, y el 70% restante es un componente incluso más enigmático que se ha denominado “Energía Oscura”. Al tiempo que algunos experimentos intentan detectar de forma directa esta materia oscura en el seno de laboratorios subterráneos, diversos métodos permiten detectarla también de forma indirecta. En la imagen, el cúmulo de Abel 520 donde se representa en rojo la materia ordinaria, y en azul la materia oscura observada gracias a efectos de lente gravitacional.

Imagen: «Un choque de cúmulos ilumina la materia oscura» (NASA Images).

VII. En el corazón de las estrellas

Hornos termonucleares, fábricas de partículas, las estrellas nos envían incesantemente un increíble número de mensajeros. Sólo la luz de su superficie es accesible a nuestros telescopios, sin embargo, algunas partículas como los neutrinos vienen directamente del corazón de las estrellas permitiéndonos desvelar sus más íntimos secretos.

De interacción débil con la materia, neutros y con una masa minúscula, millones de neutrinos cósmicos nos atraviesan constantemente. Protegido por la radiación producida por otras partículas, el experimento Borexino caza neutrinos procedentes del Sol en las profundidades de un laboratorio subterráneo. Emitidos casi instantáneamente por el Sol, al contrario que los fotones, que salen de la estrella tras un tortuoso camino que puede durar un millón de años, los neutrinos nos informan sobre las reacciones termonucleares que los producen. Este tipo de experimentos, nos permiten estudiar también neutrinos producidos en el interior de la Tierra por desintegraciones radioactivas o comprender mejor las misteriosas propiedades de estas partículas, tales como su naturaleza oscilante.

IV. Más respuestas

Hoy en día, físicos y astrónomos ya no están solos para acumular incansablemente medidas que permitan predecir mejor la naturaleza, o esperar noches enteras para observar un fenómeno celeste. Telescopios, satélites y detectores ultrasensibles les permiten observar objetos invisibles o atrapar partículas esquivas con energías que en ocasiones, es imposible reproducir en la Tierra.

Para confirmar y desarrollar nuestras teorías, necesitamos realizar experimentos centrados en fenómenos poco probables, o en la detección de partículas muy difíciles de observar, como neutrinos. Rayos cósmicos de muy alta energía, cuyo origen es todavía incierto, a partículas exóticas, desde ondas gravitacionales a rayos gamma, todos estos nuevos mensajeros cósmicos son fuentes de información valiosísima clave para entender la naturaleza del mundo que nos rodea. Nos ayudan a entender la estructura del Universo a gran escala, y el funcionamiento de la materia a las más pequeñas escalas. La Física de Astropartículas es la Ciencia de los dos infinitos, lo infinitamente grande y lo infinitamente pequeño.

Imagen: «Un agujero negro supermasivo acelerando partículas» de PBS.org

III. Nuevos mensajeros

A comienzos del siglo XX Víctor Hess descubre la existencia de rayos cósmicos que ionizan la atmósfera. No se trata sólo de luz, sino de fracciones de materia, partículas procedentes del espacio: protones y otros núcleos atómicos, electrones… que cruzan el Cosmos y bombardean la Tierra ofreciendo una nueva fuente de información sobre el Universo.

Dock

Los rayos gamma son las últimas fracciones de luz en el espectro electromagnético, los más energéticos. Su emisión se vincula normalmente a fenómenos violentos: supernovas, púlsares, núcleos galácticos activos (en la imagen mapa del telescopio espacial Fermi correspondiente a 2008). La emisión difusa a lo largo del plano galáctico procede de la interacción de partículas muy energéticas con la materia interestelar de nuestra galaxia. La atmósfera frena la mayoría de los rayos gamma. No obstante, los más energéticos interaccionan con la parte superior produciendo lluvias de partículas que en ocasiones tienen velocidades superiores a la de la luz en el aire. Esto provoca la emisión de una luz azulada (luz Cherenkov) que puede ser detectada en la superficie terrestre por observatorios especiales como el Telescopio MAGIC, en las Islas Canarias o H.E.S.S. en Namibia.

Imágenes: «El telescopio MAGIC» de su página web oficial; «Visión Gamma del universo» de la NASA y su telescopio Fermi.