Neutrinos, los mensajeros cósmicos que atraviesan nuestros cuerpos y los científicos buscan en la Antártica y en las profundidades del mar

Alejandra Martins - BBC News Mundo
Sobre la superficie antártica se ve solamente el laboratorio de IceCube. Debajo están los detectores del telescopio de neutrinos en un kilómetro cúbico de hielo.

Son viajeros del universo y ahora mismo están atravesando nuestros cuerpos.

"Día y noche, cada segundo, miles de millones de neutrinos nos atraviesan", señaló el físico Juan de Dios Zornoza, profesor de la Universidad de Valencia.

Los neutrinos son unas de las partículas más enigmáticas de la física. Y también son extraordinariamente difíciles de detectar.

Estos visitantes son tan elusivos que para captarlos los científicos han debido instalar instrumentos a mil metros bajo la superficie antártica o en las profundidades del Mar Mediterráneo.

Otros investigadores, en cambio, optaron por suspender antenas desde un globo que sobrevuela el continente helado.

Pero todo el esfuerzo está justificado: detectar estas partículas abre puertas a mundos que de otra forma no podrían ser estudiados.

"Igual que un astrónomo se va a la montaña con su telescopio y observa las estrellas, nosotros queremos conocer cómo funciona el universo. Pero en lugar de utilizar la luz utilizamos otro mensajero cósmico que son los neutrinos", señaló Zornoza, coordinador del grupo español de ANTARES, la iniciativa que busca neutrinos en el Mediterráneo.

El físico de neutrinos peruano Carlos Alberto Argüelles es investigador del MIT y a partir de julio de 2020 será profesor del departamento de física en Harvard.

Los neutrinos pueden provenir de otras galaxias, pero también de estrellas más cercanas, como nuestro Sol.

"Los neutrinos nos dan información de lugares a los que es imposible acceder", afirmó a BBC Mundo el físico de neutrinos peruano Carlos Alberto Argüelles, investigador del MIT (Instituto de Tecnología de Massachussetts) y miembro de IceCube, el proyecto que busca neutrinos bajo el hielo antártico.

"En el centro del Sol hay fusiones nucleares que emiten neutrinos. Otras partículas quedan atrapadas, pero podemos medir los neutrinos y tener información de qué está sucediendo en el centro del Sol".

¿Qué se sabe de estas partículas enigmáticas? ¿Y qué preguntas quiere responder la ciencia al estudiarlas?

Atraviesan la materia

Los neutrinos son partículas elementales, uno de los bloques fundamentales de la naturaleza.

"Son la segunda partícula más abundante del universo", explicó Zornoza.

“Lo que más hay en el universo son fotones, es decir, las partículas de la luz. Lo segundo son neutrinos”.

El proyecto ANITA, financiado en parte por la NASA, busca en la Antártica neutrinos de altas energías.

Y estas partículas tienen la peculiaridad de que casi no interaccionan con lo que encuentran a su paso, por lo que pueden atravesar fácilmente la materia.

"Interactúan solamente vía una de las cuatro fuerzas que conocemos (la gravedad, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil). Los neutrinos interactúan solamente con la fuerza nuclear débil", afirmó Argüelles.

Y por ello, según Zornoza, "son capaces de cruzar una barrera de años luz de plomo y salir del otro lado, lo que los hace muy difíciles de detectar".

Otras características de los neutrinos aún no se comprenden.

"Los neutrinos son extraños, sabemos que tienen una masa pero no sabemos aún cuánto es o cómo se origina. Deben estar conectados a otra partícula que les debe estar dando masa que es secreta, algo tiene que estar produciendo esa masa", afirmó Argüelles.

"También tienen un fenómeno que se conoce como oscilación de neutrinos, porque hay varios tipos de neutrinos y pueden transformarse unos en otros".

El físico Juan de Dios Zornoza coordina el grupo español de ANTARES y KM3NeT, telescopios submarinos de neutrinos en el Mediterráneo.

Viajan en línea recta

Los neutrinos no tienen carga eléctrica y por ello son una herramienta ideal para estudiar el universo.

"Como es una partícula neutra, sin carga, es óptima para hacer astronomía, porque no es desviada por campos magnéticos", explicó Juan Antonio Aguilar, investigador español de la Universidad Libre de Bruselas y responsable del grupo local de IceCube.

"Esto significa que si hay una fuente en el universo que emite neutrinos, estos neutrinos van a venir desde allí hacia nosotros en línea recta".

Al viajar en línea recta e interactuar solo débilmente con la materia, los neutrinos revelan en qué dirección se encuentra su fuente, a diferencia de otros mensajeros del cosmos, como los rayos cósmicos o los rayos gamma.

"Los rayos cósmicos, compuestos en su mayoría por protones, viajan desde fuentes muy lejanas de nosotros, pero como tienen carga eléctrica, si hay campos magnéticos los van a mover. Entonces cuando tú dices vienen por acá, en realidad, como se han doblado, venían por allá, no apuntan al sitio de donde vienen", afirmó Argüelles.

Los rayos gamma, por otra parte, son luz. Y la luz puede ser bloqueada o atenuada por nubes de polvo o gas.

"Entonces nos queda el neutrino, que aunque haya campos magnéticos sigue su trayectoria y aunque haya nubes o polvo los atraviesa. Por ello son mensajeros directos de los objetos de los que provienen y nos dan una información verdaderamente única", agregó Argüelles.

Los detectores del telescopio de neutrinos IceCube se encuentran en un kilómetro cúbico de hielo bajo la superficie en el Polo Sur.

Los neutrinos pueden llegar desde lugares de los que no puede escapar la luz.

De acuerdo a Aguilar, "al ser partículas casi fantasma que atraviesan todo nos puede traer información de sitios muy energéticos y muy densos, como los sitios alrededor de agujeros negros".

En el Polo Sur y en el Mediterráneo

Para captar a los elusivos neutrinos los científicos usan tácticas diferentes.

El telescopio de neutrinos IceCube, en el Polo Sur, es una iniciativa internacional en la que colaboran cerca de 300 científicos de instituciones en 12 países en Europa, Norteamérica, Asia y Oceanía.

Los investigadores analizan datos recibidos por satélite de sensores instalados en un km cúbico de hielo, bajo la superficie antártica. Y su trabajo no se ha detenido durante la actual pandemia.

En el caso de ANTARES, otra iniciativa internacional mayoritariamente europea, los detectores están a 2.500 metros de profundidad en el Mar Mediterráneo, cerca de la costa de Marsella.

A ANTARES se sumará un nuevo telescopio submarino de neutrinos, llamado KM3NeT y actualmente en construcción, que será instalado a profundidades aún mayores en el Mediterráneo.

"Como el neutrino es una partícula sin carga, es óptima para hacer astronomía porque no es desviada por campos magnéticos", afirmó Juan Antonio Aguilar, físico de la Universidad Libre de Bruselas y miembro de IceCube.

¿Cómo los detectan?

Aunque los neutrinos se comportan como partículas fantasma, los científicos se las ingenian para encontrarlos.

"De todos los neutrinos que nos vienen, de vez en cuando alguno sí que interacciona y produce otra partícula, que se llama muon, que es una especie de electrón pero con más masa", explicó Zornoza.

"Entonces ese muon, si estamos en un medio transparente, como el agua o el hielo, emite lo que se llama una luz Cherenkov, una luz azul que sí podemos ver".

"Así que en el Mediterráneo o en la Antártida ponemos detectores de luz. Muchos neutrinos pasan de largo pero alguno produce un muon que emite luz".

Los sensores de ANTARES y IceCube deben además estar a grandes profundidades.

De esta forma se evita que las señales de neutrinos sean confundidas con otras que no penetran tanto a grandes profundidades, como las producidas por interacciones de rayos cósmicos.

El globo que sobrevuela la Antártida

El origen de los sucesos captados por las antenas de radio de ANITA en la Antártica sigue siendo un enigma.

El proyecto ANITA (Antena Antártica de Impulso Transitivo), financiado en parte por la NASA, recurre a otra estrategia para detectar neutrinos.

ANITA utiliza decenas de antenas sujetas a un globo estratosférico.

"Es un tipo de experimento que busca neutrinos de energías más altas que ANTARES o IceCube y eso hace que ni siquiera con un km cúbico de hielo tengas suficiente, porque de esa energía tan supergrande todavía hay menos", afirmó Zornoza.

Los detectores de ANITA no buscan flashes de luz.

A energías tan altas los neutrinos que interactúan con el hielo producen otro tipo de señal, una señal de radio que es lo que intentan captar las antenas.

Y dos fenómenos captados por ANITA en los últimos años siguen generando un intenso debate entre los científicos.

Las extrañas detecciones de ANITA

En 2016 y en 2018 ANITA captó energías muy altas que en lugar de venir desde el espacio hacia la superficie terrestre parecían salir desde la Tierra hacia arriba y haber cruzado buena parte de nuestro planeta.

Pero esto es muy extraño, porque a energías tan altas los neutrinos no pasan de largo como los de baja energía.

A altas energías los neutrinos comienzan a interactuar con el medio y cada vez les cuesta más atravesar la materia.

"Lo sorprendente de estos sucesos que vieron es que eran muy energéticos, eran energías enormes y eran demasiado verticales, atravesaban mucho diámetro de la Tierra", señaló Aguilar.

La gran pregunta es qué podría explicar esa extraña cascada de partículas hacia arriba.

Posibles explicaciones

Los detectores de ANTARES están a 2.500 metros de profundidad en el Mar Mediterráneo, cerca de la costa de Marsella.

Los científicos han postulado numerosas explicaciones posibles para los llamados sucesos anómalos de ANITA.

Una de las hipótesis, por ejemplo, es que ANITA pudo haber sido engañada por rayos cósmicos, según explicó Aguilar.

"Cuando llegan a la atmósfera los rayos cósmicos interactúan y generan una cascada de partículas secundarias que por el campo magnético de la Tierra también generan una emisión de radio. Serían descendentes, pero a veces cuando llegan a la superficie puede haber una reflexión y vuelven hacia arriba y ANITA pudo ver esa señal de reflejo", afirmó.

Algunos investigadores proponen "empezar de cero", estudiando la reflexión de rayos cósmicos en el hielo.

¿Pudo haberse tratado de la alguna fuente astrofísica en el universo? Los científicos de IceCube aseguran que, en ese caso, junto a los neutrinos de alta energía también habrían llegado otros de baja energía como los que detecta este proyecto.

Y en un trabajo divulgado este año, investigadores de IceCube afirmaron no haber hallado rastros de neutrinos de baja energía en el mismo tiempo y dirección de los eventos de ANITA.

Existen otras hipótesis, pero por el momento el interrogante sobre el origen de los sucesos de ANITA sigue sin respuesta.

Un misterio centenario

Los módulos ópticos de ANTARES, como el de la imagen, detectan flashes cuando un neutrino produce un muon que emite luz.

Los neutrinos podrían ayudar a resolver grandes enigmas como el de la materia oscura, de la que se compone el 80% del universo pero no se sabe qué es.

"Es probable que la materia oscura se acumule en sitios como el centro de nuestra galaxia o el Sol. Ahí se aniquilaría y emitiría, entre otras cosas, neutrinos", afirmó Zornoza.

"Detectar neutrinos de esas fuentes nos daría pistas para entender de qué está hecha la materia oscura".

Y hay otro gran misterio que los neutrinos podrían contribuir a esclarecer: el origen de los rayos cósmicos.

"Hace más de 100 años se descubrieron estos rayos cósmicos que nos llegan a la Tierra, pero aún no hemos entendido de donde vienen", señaló Zornoza.

"No tenemos claro donde se están produciendo, pero sabemos que donde se produzcan muy posiblemente se produzcan neutrinos".

"Si somos capaces de detectar esos neutrinos nos pueden ayudar a resolver el misterio ya centenario de qué está produciendo los rayos cósmicos".