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Carlos del Porto Blanco

La Academia Real de Ciencias de Suecia decidió premiar este año con el Premio Nobel en Física al investigador belga, de 82 años de edad, Francis Halzen, «por sus contribuciones decisivas al Observatorio de neutrinos de IceCube y al descubrimiento de neutrinos de alta energía de origen astronómico». El neutrino es la partícula más tímida del universo, no tiene carga eléctrica y casi no tiene masa. En general, pasan inadvertidos a través de la materia y rara vez hacen sentir su presencia al chocar con un núcleo atómico. Cada segundo, sin que usted se dé cuenta, 65 mil millones de neutrinos del Sol fluyen a través de la uña de su dedo meñique. Esas partículas penetran por la materia sin dejar apenas rastro, y vagan durante miles de millones de años por el universo. A este tema dedicaré la columna de hoy.

Nada sucede hasta que algo se mueve. Albert Einstein

Halzen creció en Bélgica y se sintió atraído por la física de partículas y por el progreso de ese campo en los años sesenta. Inicialmente, se centró en partículas masivas que se crean a partir de quarks. Después de terminar su doctorado se trasladó a la Universidad de Wisconsin-Madison en los Estados Unidos. Más tarde, llegó a comprender lo que la física de partículas puede aprender de las partículas que llegan desde el espacio, y cómo la astrofísica puede, a su vez, beneficiarse de la física de partículas.

La motivación subyacente a la búsqueda de neutrinos proviene de observaciones de partículas completamente diferentes. El cosmos es continuamente atravesado por partículas a las que se les llama colectivamente rayos cósmicos. Típicamente, esas partículas son protones, núcleos atómicos de hidrógeno desnudos. Los protones del espacio a veces pueden llegar a la Tierra con una cantidad asombrosa de energía, mucho más de lo que es posible darles en un acelerador de partículas en el planeta.

El origen de los rayos cósmicos con energías extremas ha sido uno de los secretos mejor guardados del universo. Debido a que la física plantea que los procesos que pueden acelerar a los protones a altas energías también dan lugar a neutrinos con altas energías, éstos podrían proporcionar pistas cruciales sobre estos aceleradores de partículas cósmicas.

Alguien que logre identificar neutrinos que transportan enormes cantidades de energía, puede diferenciarlos de los de energía considerablemente más baja que provienen de sustancias radiactivas en descomposición, o del Sol, o que surgen cuando los rayos cósmicos golpean a la atmósfera de la Tierra. Los neutrinos que no se originan en nuestro entorno deben venir de algún lugar lejano, tal vez de procesos violentos en regiones donde las estrellas han explotado o de galaxias activas distantes.

En la década de los ochenta, mientras Halzen trabajaba con partículas cósmicas, escuchó que los investigadores soviéticos planeaban usar receptores de radio para capturar señales de neutrinos en la Antártida. La idea era que cuando un neutrino choca con un núcleo atómico en el hielo, causa una chispa eléctrica, que produce una onda de radio; si eso fuera lo suficientemente fuerte, podría ser capturado utilizando una antena de radio. Halzen se inspiró en esa idea y se percató de que otro método podría ser instalar sensores de luz en el hielo del glaciar y buscar destellos de luz de las colisiones.

Anteriormente, alrededor de 1960, varios físicos habían sugerido que el agua podría ser un buen material para capturar neutrinos del espacio. En las raras ocasiones en que un neutrino choca con un núcleo atómico, se produce una partícula cargada; esta viaja luego en la misma dirección que el neutrino original y emite una luz azul. Debido a que el agua es transparente, esa luz puede ser detectada. Si se utiliza el equipo adecuado, es posible determinar la dirección de la trayectoria de la luz e incluso ver de dónde vino el neutrino. El elemento clave sería tener un volumen de agua lo suficientemente grande como para ver la evidencia de muchas colisiones de neutrinos.

La idea de Halzen era usar hielo natural, en lugar de agua. Se puso en contacto con su colega de investigación John G. Learned, que estaba trabajando en el proyecto DUMAND. Ese fue un proyecto similar que tenía como objetivo capturar señales de luz de los neutrinos que interactúan en el agua profunda y clara del océano cercano a Hawái, éste no tuvo éxito, en part,e porque los tiburones se comían los cables Juntos, los físicos discutieron las oportunidades y los desafíos involucrados en la captura de neutrinos en la Antártida. Primero presentaron su concepto para un observatorio de neutrinos en el hielo del Polo Sur, en 1988 durante una conferencia en Polonia.

Según el físico español Enrique Zas, quien a finales de los 80 trabajó durante tres años con Halzen haciendo cálculos sobre la mejor forma de atrapar neutrinos y saber cuántos llegarían a los detectores. La opción de Halzen, con forma de queso gruyer enterrado en el hielo, fue “una innovación total”. El algoritmo que se sigue usando es los detectores fue otra de las contribuciones al proyecto.

En la edición anterior, 2025, de los Premios Nobel, el jurado reconoció a tres pioneros de la física cuántica, John Clarke, Michel Devoret y John Martinis, “por el descubrimiento del efecto túnel cuántico macroscópico y la cuantización de la energía en un circuito eléctrico”. El trabajo de los galardonados intentaba responder a una de las grandes preguntas de la física: cuál es el tamaño máximo de un sistema capaz de mostrar efectos cuánticos. Desde la creación del galardón en 1901 hasta 2025, se han otorgado 119 premios de Física a 229 científicos, de los que solo cinco han sido mujeres.

A diferencia del Nobel de Medicina, que es concedido por la Asamblea Nobel del Instituto Karolinska, el de Física está en manos de la Real Academia Sueca de las Ciencias. Según lo establecido por Nobel en su testamento, el premio es administrado por la Fundación Nobel y concedido tras la evaluación de un comité formado por cinco miembros elegidos por la Academia. Cada año, científicos de todo el mundo pueden ser propuestos como candidatos, aunque sus nombres permanecen en secreto durante décadas.

El Nobel de Física tiene además una historia marcada por nombres fundamentales de la ciencia y por descubrimientos que han transformado la manera de entender el universo. El estadounidense John Bardeen es el único científico que ha recibido ese premio en dos ocasiones: la primera, en 1956, por sus investigaciones sobre semiconductores y el descubrimiento del efecto transistor, y la segunda, en 1972, por sus trabajos sobre la teoría de la superconductividad.

La polaca francesa Marie Curie, por su parte, consiguió dos Nobel en distintas categorías: el de Física, en 1903, compartido con Pierre Curie y Henri Becquerel por sus investigaciones sobre los fenómenos de radiación, y el de Química, en 1911, por el descubrimiento de los elementos polonio y radio. William Lawrence Bragg sigue siendo el laureado más joven de esta categoría: tenía solo 25 años cuando recibió el premio en 1915, junto a su padre, William Henry Bragg, por sus investigaciones sobre el análisis de la estructura de los cristales mediante rayos X.

Un telescopio de neutrinos en el Polo Sur

Halzen se percató de que había muchas ventajas al ubicar el observatorio de neutrinos en el Polo Sur geográfico: una estación de investigación ya estaba ubicada allí, con una organización de transportes regulares y todo lo necesario para que un equipo trabajase.

El hielo también ofrece muchos beneficios como material. A una profundidad suficientemente grande, la oscuridad es constante. A diferencia del océano, no hay interferencia de las criaturas vivas, y solo hay bajos niveles de sustancias radiactivas. El hielo es estable y proporciona una superficie sólida para las personas que trabajan en la instalación. La zona es geológicamente estable sin terremotos. Sin embargo, una desventaja es que el frío hace que los viajes hacia y desde el Polo Sur sean imposibles durante gran parte del año. Todo el trabajo práctico debe realizarse durante el breve verano antártico, entre noviembre y febrero.

Al principio, Halzen estuvo satisfecho con hacer el trabajo teórico, mientras que Learned estaba ocupado con su propio proyecto y nunca regresó a sus teorías sobre la captura de neutrinos en el Polo Sur. La historia podría haber terminado allí, pero el concepto había generado tanto interés que, en pocos años, investigadores de varias instituciones se habían reunido alrededor de Halzen para llevar a buen término su idea de un observatorio de neutrinos en la Antártida.

Para empezar, tenían que resolver todos los problemas prácticos que conllevaba la colocación de instrumentos en lo profundo del hielo. De los glaciólogos, aprendieron que los agujeros de un kilómetro de profundidad se pueden perforar utilizando un tipo de cabezal de ducha sofisticado que utiliza agua caliente para derretir el hielo. Un cable largo con cadenas de sensores de luz podría entonces ser bajado en el agujero lleno de agua. Halzen describe a esos sensores como una bombilla en reversa: el instrumento captura la luz y luego la transforma en una señal eléctrica.

Burbujas en el hielo pueden causar problemas

Primero, el equipo de investigación probó hundir los sensores en el hielo en Groenlandia para verificar que pudieran registrar la luz de las partículas en el hielo. Luego comenzaron a construir el primer observatorio de neutrinos en el Polo Sur, el predecesor de IceCube, AMANDA. Halzen ha descrito que se sentó en la mesa de la cena con su laptop en su regazo en la víspera de Navidad de 1993, a la espera de un mensaje para confirmar que el primer cable con módulos ópticos se había instalado en el hielo.

La sección superior del hielo estaba llena de burbujas que extendían la luz en diferentes direcciones y difuminan la información sobre el movimiento de las partículas, por lo que los primeros intentos fueron decepcionantes. Sin embargo, el hielo resultó ser extremadamente puro y transparente por debajo de una profundidad de 1400 metros. Allí, los destellos de luz de los neutrinos podían recorrer 300 metros antes de ser absorbidos, mucho más de lo que nadie esperaba. Un subproducto del proyecto de los neutrinos es que los investigadores aprendieron mucho sobre las propiedades del hielo a diferentes profundidades.

La construcción de AMANDA continuó hasta enero de 2000. Todo funcionó según lo previsto, pero no estaba a la altura de la tarea de detectar los neutrinos ricos en energía de los “aceleradores de partículas cósmicas”. Era necesario un mayor volumen, por lo que comenzó el trabajo en IceCube, un kilómetro cúbico de hielo equipado con sensores de luz. IceCube alcanzó su tamaño completo en 2011, con 5160 sensores de luz divididos entre 86 cables.

A lo largo de los años, Halzen ha seguido funcionando como catalizador, primero para AMANDA y más tarde IceCube. Como investigador principal comprometido y entusiasta, ha llevado a cabo esos proyectos desde la etapa de idea para completar mediciones y resultados científicos.

IceCube finalmente encuentra neutrinos cósmicos

Un observatorio de neutrinos como IceCube detecta más que los neutrinos que los investigadores buscan. Esos neutrinos cósmicos deben ser detectados en un contexto de señales causadas por los rayos cósmicos que entran en la atmósfera de la Tierra. Algunas de esas partículas pueden penetrar hasta los sensores situados entre 1450 y 2450 metros por debajo de la superficie. Más de cien millones de partículas de la atmósfera por encima de la Antártida se registran todos los días. Los rayos cósmicos también crean neutrinos en la atmósfera y, de esos, unos pocos cientos al día llegan a IceCube después de viajar a través de la Tierra desde el hemisferio norte.

Para encontrar los neutrinos cósmicos, los investigadores deben identificar eventos seleccionados en los que los neutrinos han interactuado en el hielo. Incluso cuando no pueden estar completamente seguros de que un solo neutrino se originó fuera de la Tierra, pueden ver todos los eventos seleccionados y ver si, en general, sus propiedades encajan con lo que esperan de los neutrinos cósmicos y difieren de los neutrinos atmosféricos. En 2013, el equipo de investigación informó la primera evidencia que respaldaba que realmente habían encontrado neutrinos cósmicos y, un par de años más tarde, habían recopilado tantos datos que podrían estar seguros de su descubrimiento.

¿Qué esperan los investigadores para aprender de los neutrinos del universo?

La astronomía de los neutrinos comenzó a pequeña escala en los años sesenta, cuando Raymond Davis Jr. observó los neutrinos del Sol. Así lo confirmó el equipo de investigación del observatorio de neutrinos Kamiokande en Japón, dirigido por Masatoshi Koshiba, ya que pudieron determinar el camino de los neutrinos y rastrear su origen.

En 1987, Kamiokande capturó una lluvia de neutrinos que podrían estar vinculados a una estrella en explosión, una supernova, en la Gran Nube de Magallanes, que es una galaxia vecina. Ese descubrimiento pronto se complementó con mediciones de neutrinos que se realizaron simultáneamente en los Estados Unidos y la URSS. Raymond Davis Jr y Masatoshi Koshiba recibieron el Premio Nobel de Física 2002 por esos avances, que demostraron que los neutrinos podían usarse para estudiar fenómenos en el espacio.

Un problema se mantuvo: el número de neutrinos capturados por Raymond Davis Jr fue solo un tercio de lo predicho en los cálculos de las reacciones que deberían ocurrir en el Sol. La razón de eso resultó estar relacionada con que había tres tipos de neutrinos. Los físicos aprendieron que los neutrinos pueden cambiar de forma, por lo que uno que se crea como un tipo puede llegar a un instrumento en la Tierra como otro tipo, y observar a esas partículas transformadas requería una técnica diferente a la utilizada por Raymond.

La naturaleza cambiante de los neutrinos se reveló a través de pruebas en Japón y Canadá, y el Premio Nobel de Física 2015 fue otorgado a Takaaki Kajita y Arthur B. McDonald por ese descubrimiento.

Los neutrinos han ayudado a los físicos a confirmar sus modelos de los procesos dentro del Sol y los que suceden dentro de una supernova. La idea detrás de IceCube es llevar la astronomía de neutrinos a un nuevo nivel, la esperanza es que éstos proporcionen información sobre fenómenos ocultos detrás de las nubes de polvo, u objetos que están tan distantes que otras formas de radiación los han desaparecido en el camino. El objetivo es adquirir conocimiento que no se puede obtener de ninguna otra manera.

En comparación con los protones, los neutrinos tienen la ventaja de que no están cargados eléctricamente. La trayectoria de los protones cargados en el espacio se curva por los campos magnéticos por los que viajan, lo que hace imposible deducir su origen rastreando la dirección que tomaron. Sin embargo, los procesos que aceleran los protones también producirán neutrinos, que no se ven afectados por los campos magnéticos, por lo que debería ser posible concluir dónde los protones de rayos cósmicos se aceleran al rastrear hacia atrás a lo largo del camino de los neutrinos de mayor energía.

Se esperan más resultados

Un objetivo importante es determinar cuáles son las fuentes individuales de neutrinos celestes. Unas pocas fuentes potenciales han sido encontradas por IceCube, de la cual una es la galaxia activa NGC 1068 (también llamada M77). De los neutrinos registrados en IceCube, 79 parecen venir de la dirección de esa galaxia. Sin embargo, esa evidencia no es lo suficientemente robusta como para identificar definitivamente a NGC 1068 como una fuente de neutrinos; cuantos más neutrinos capturen los sensores, mayor será la posibilidad de encontrar su origen.

En los últimos años, los investigadores que procesan los datos de IceCube han visto neutrinos de alta energía provenientes de la Vía Láctea. Se espera que esos neutrinos hayan surgido cuando la radiación cósmica choca con los átomos en el gas delgado entre las estrellas.

Sin duda, se escuchará mucho sobre la astronomía de neutrinos en los próximos años. Hay varios otros telescopios de neutrinos en el hemisferio norte en varias etapas de desarrollo, pero en el agua en lugar de hielo. El proyecto que inspiró a Francis Halzen en la década de 1980, DUMAN, terminó en 1995, pero sus lecciones viven a través de varios otros proyectos, como en el lago Baikal, el Mediterráneo, en el Mar del Sur de China y frente a la costa oeste de Canadá. Al mismo tiempo, IceCube continúa capturando neutrinos. La próxima expansión en el Polo Sur ahora se planea, donde IceCube-Gen2 será una asombrosa

Hablando de los neutrinos

El neutrino (término que en italiano significa ‘neutrón pequeño’), fue descubierto por Clyde Cowan y Frederick Reines. Es una partícula subatómica de tipo fermiónico, sin carga y con espín ½. Desde principios del siglo XXI, después de varios experimentos llevados a cabo en las instalaciones del Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO), en Canadá, y en el Super-Kamiokande en Japón, entre otros, se sabe, contrariando al modelo electrodébil, que esas partículas tienen masa, pero muy pequeña, y que es muy difícil medirla. Hasta 2016, la cota superior de la masa de los neutrinos es 5.5 eV/c2, lo que significa menos de una milmillonésima parte de la masa de un átomo de hidrógeno. Su conclusión se basa en el análisis de la distribución de galaxias en el universo y es, según afirman estos científicos, la medida más precisa hasta ahora de la masa del neutrino. Además, su interacción con las demás partículas es mínima, por lo que pasan a través de la materia ordinaria sin apenas perturbarla.

Un fenómeno conocido como oscilación de neutrinos, es la posibilidad de transformaciones entre los tres tipos de neutrinos existentes, implica que los neutrinos tienen masa, y eso tiene importantes consecuencias en el modelo estándar de la física de partículas. En el modelo estándar los neutrinos no tienen masa y, por tanto, deben modificarse. En todo caso, los neutrinos no se ven afectados por la fuerza electromagnética ni la nuclear fuerte, pero sí por la fuerza nuclear débil y por la gravitatoria.

Para conocer IceCube

IceCube es un experimento de astrofísica de partículas. Más concretamente, es un telescopio de neutrinos situado en la estación Amundsen-Scott del Polo Sur. Su construcción finalizó en el año 2010. El telescopio IceCube está compuesto por más de 5000 módulos digitales ópticos suspendidos en un kilómetro cúbico de hielo enterrado en el subsuelo del Polo Sur.

El observatorio de la Fundación Nacional para la Ciencias de Estados Unidos detecta neutrinos a través de los flashes de luz azul producida por la radiación de Cherenkov de partículas secundarias emitidas por la interacción de neutrinos con una molécula de agua en el hielo. La meta principal del experimento es detectar neutrinos en el rango de la alta energía, que abarca (en unidades de electronvoltios) de 1011 hasta cerca de 1021 eV.

En 2012 los responsables de IceCube anunciaron la detección de dos neutrinos superenergéticos, de más de 1000 teraelectronvoltios. Sus descubridores los denominaron Bert y Ernie en honor a los personajes televisivos. En 2013 se encontraron otros 28 neutrinos de energía superior a los 30 TeV, que no venían de nuestra estrella, sino que eran de origen cósmico. Este hecho fue portada de la revista Science. Esta fue la primera muestra de neutrinos de muy alta energía procedentes de fuera del sistema solar.

Fases de la construcción

Cuando se alcanza la profundidad deseada, se tiene alrededor de dos horas para insertar los detectores en su lugar, antes de que todo se congele de nuevo. Cuando todo está listo, los detectores quedarán distribuidos en un bloque de hielo de cerca de un kilómetro cúbico. En 2005, se desplegó la primera cuerda de IceCube que recogió bastantes datos para verificar que los sensores ópticos funcionaban correctamente. En la temporada del verano austral 2005-2006, se colocaron ocho cuerdas adicionales, logrando que IceCube se convirtiera en el telescopio de neutrinos más grande del mundo. Los primeros neutrinos fueron detectados el 29 de enero de 2006.

El IceCube costó 279 millones de dólares, y fue un ejemplo de cooperación científica internacional. Estados Unidos costeó gran parte del proyecto, pero también aportaron recursos Alemania, Bélgica y Suecia. En la actualidad, 14 países forman parte de la colaboración científica del experimento.

En este año, 2026, el IceCube se ha salvado de un recorte del 50 % de su presupuesto que impulsaba el presidente de Estados Unidos, Donald Trump. El Congreso del país rechazó ese hachazo, y garantizó que la instalación seguirá financiada hasta 2031, incluida la construcción de un detector de segunda generación ocho veces más grande que el actual.

El neutrino que cruzó los hielos de la Antártida

El 22 de septiembre de 2017, se detectó en el observatorio de neutrinos IceCube, la diminuta partícula que se cree que se originó en un agujero negro supermasivo, y, disparado desde un “cañón gravitacional”, llegó a atravesar el hielo de la Antártida, casi a la velocidad de la luz.

Esa detección desató una cascada de alarmas en una serie de detectores del IceCube y en cuestión de segundos, desde el Observatorio, se alertó a una multiplicidad de satélites astronómicos, entre ellos el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi. Esa nave espacial encontró el origen del neutrino en una galaxia distante conocida como TXS 0506+056, próxima a la constelación Orión, que estaba teniendo un estallido de rayos X y de rayos gamma de alta intensidad. Los astrónomos señalaron que el descubrimiento proporcionaría pistas acerca del origen de la lluvia de partículas espaciales de alta energía conocidas como rayos cósmicos, siendo la hipótesis principal la que los atribuye a los cuásares.

Referencias

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