Partículas fantasma: neutrinos y dónde encontrarlos en el Universo

Observatorio de neutrinos IceCube. Crédito: Colaboración IceCube.

Artículo en el que se basa este astrobito: Constraints on Populations of Neutrino Sources from Searches in the Directions of IceCube Neutrino Alerts

Autoría: Colaboración IceCube (R. Abbasi et al.) 

Institución del primer autor: Department of Physics, Loyola University Chicago, Chicago, IL 60660, USA.

Estado de la publicación: publicado en “The Astronomical Journal”, vol. 951, 45.

Partículas fantasma

Desde hace más de una década sabemos que la Tierra está siendo bombardeada de forma constante por neutrinos, partículas subatómicas con una masa increíblemente pequeña que de hecho, no conocemos con exactitud más allá de un límite superior de 1.6×10^-36 kg. A pesar de que estamos siendo atravesados por ellos cada segundo, su naturaleza hace extremadamente complicada su detección, y es que los neutrinos, también conocidos como “partículas fantasma”, prácticamente no interaccionan con las demás partículas, pasando a través de la materia ordinaria sin perturbarla. Además, al tratarse de partículas sin carga, tampoco ionizan los materiales que atraviesan, descartando otro posible método de detección.

Para llegar a detectar estas misteriosas partículas y conocer su origen, el ser humano ha sido capaz de desarrollar complicados experimentos que se basan el el efecto Cherenkov, ese flash de luz azulada que una partícula produce cuando se desplaza por un medio a una velocidad mayor que la luz en dicho medio. Este medio es generalmente el agua (en estado líquido o sólido), ya que las raras interacciones de un neutrino con una molécula de agua general una cascada de partículas que son capaces de producir dicho efecto, haciendo posible su detección. El observatorio de neutrinos IceCube, situado en el Polo Sur (panel izquierdo de la Figura 1), ha sido capaz de detectar decenas de estos eventos desde su construcción, gracias al gran volumen de 1 kilómetro cúbico ocupado por detectores enterrados bajo el hielo de la Antártida (panel derecho de la Figura 1).

Figura 1: Observatorio de neutrinos IceCube en el Polo Sur (panel izquierdo) e ilustración de las líneas de detectores de IceCube bajo el hielo (panel derecho). Crédito: Colaboración IceCube.

¿De dónde vienen los neutrinos?

Cada segundo, miles de neutrinos atraviesan la Tierra sin siquiera perturbar su trayectoria. Sin embargo, gracias a detectores y observatorios como IceCube, hoy sabemos un poco más sobre el origen de estas partículas. Nuestra estrella, el Sol, es la responsable de la mayor parte de neutrinos que nos llegan, aquellos de energía más baja, producidos como resultado de las desintegraciones beta que tienen lugar en su interior. Lo mismo ocurre en la Tierra y su atmósfera, siendo otra fuente principal de neutrinos. Más allá de nuestro Sistema Solar, varios objetos astronómicos son capaces de emitir estas partículas (Figura 2).

Figura 2: Imagen de la Vía Láctea vista a través de la detección de neutrinos. Crédito: Colaboración IceCube.

La asociación de neutrinos con fuentes astrofísicas es complicada fuera de la Tierra y su entorno más cercano. La determinación de la región del cielo de la que originalmente proceden los neutrinos que IceCube detecta corresponde generalmente con una sección amplia, donde podemos encontrar un gran número de objetos, resultando complicado determinar cuál ha sido el responsable de la emisión de ese neutrino (por ejemplo, Figura 3). De hecho, hasta el momento solamente se conocen dos objetos extragalácticos asociados con seguridad con la emisión de neutrinos: los núcleos activos de galaxias TXS 0506+056 y NGC 1068. Son precisamente las galaxias activas unas de las principales candidatas a la emisión de neutrinos de energías más altas observada.

Figura 3: Mapa del cielo con las localizaciones de los eventos de neutrinos detectados por IceCube. Los contornos con líneas continuas y discontinuas corresponden a una probabilidad de contener la fuente origen del evento del 50% y 90%, respectivamente. La escala de color representa el ratio entre la cantidad de señal y ruido de fondo esperados. Crédito: Figura 1 del artículo original.

¿Emisión constante o ráfagas impredecibles?

La Colaboración IceCube, con los más de 10 años de datos acumulados hasta el momento, ha estudiado las condiciones en las que estos neutrinos son emitidos. Sin embargo, los neutrinos de las energías más altas, que son más sencillos de distinguir de aquellos con origen terrestre o solar, son también mucho menos numerosos. Por ello, en este estudio la colaboración se centra en aquellos de menor energía, que correctamente identificados y separados de los emitidos por el Sol y la atmósfera terrestre, dan lugar a una base de datos mucho más amplia para intentar conectar su origen con fuentes astrofísicas.

De este modo, en este estudio se plantean dos hipótesis principales. Por un lado, si ese flujo de neutrinos viniese de la fuente más brillante dentro del área determinada como localización de dicha fuente, implicaría que estos neutrinos se emiten a un ritmo más o menos constante. Alternativamente, si la detección de neutrinos que puede venir de la misma región del cielo no está conectada a la misma fuente sino que provienen de direcciones aleatorias, eso querría decir que son producidos en períodos cortos en los que las fuentes originarias, generalmente débiles, pasan por un estado de emisión inusualmente alto. 

El análisis estadístico de todos los eventos detectados por IceCube no encuentra una correlación en la dirección de las trayectorias de neutrinos provenientes de regiones del cielo compatibles. Es decir, que aquellos que llegan de forma coincidente lo hicieron probablemente por accidente, llegando a nosotros de forma simultánea y totalmente fortuita, viajando solos hasta su llegada a la Tierra. Esto apunta a que gran parte de la emisión de neutrinos se produce en fuentes demasiado débiles para ser detectadas de forma continuada, y tiene lugar en períodos cortos e impredecibles.