La detección de 28 partículas fantasma inicia una nueva era en la exploración espacial

A finales de los años 20, cuando el sueño de dominar la inmensa energía que mantiene los átomos unidos comenzaba a hacerse realidad, Wolfgang Pauli trataba de resolver una aparente incoherencia en el funcionamiento de la materia. Cuando se desintegraban algunos núcleos atómicos, desaparecía cierta cantidad de energía de manera inexplicable y eso era una transgresión intolerable de las leyes físicas. Para salvar el principio de conservación de la energía, Pauli propuso la existencia de una partícula fantasmagórica, sin carga eléctrica, con una masa ínfima y que prácticamente no interaccionaría con la materia. Veintiséis años después, y gracias a otro fruto de los avances de la física atómica, Frederik Reines y Clyde Cowan, junto a un reactor nuclear, detectaron por primera vez un neutrino.

En aquellas décadas prodigiosas entre las dos guerras mundiales, los progresos en el conocimiento de la materia que dieron a conocer el neutrino coincidieron también con otros momentos transformadores para la astronomía. Edwin Hubble nos enseñó que nuestra galaxia era solo una entre muchas y Fritz Zwicky planteó la posibilidad de que algunas estrellas acabarían su vida con un inmenso estallido: supernovas que en su último estertor llenarían el espacio de rayos cósmicos ultraenergéticos. Más de 80 años después, un artículo que hoy se publica en la revista Science reúne de alguna manera a Pauli, Hubble y Zwicky y puede que, en palabras del investigador de la Universidad de Maryland (EEUU) y coautor del artículo Gregory Sullivan, haya dado comienzo a “la era de la astronomía de neutrinos”. Estas partículas predichas por Pauli podrían servir para estudiar de una forma completamente nueva las supernovas y los rayos cósmicos anunciados por Zwicky y además podrían hacerlo en galaxias lejanas como las que descubrió Hubble.

Esta “nueva era” de la cosmología comenzó en abril de 2012, en la Antártida. Allí está instalado IceCube, el que se puede considerar el mayor telescopio del mundo, un artefacto descomunal que costó 271 millones de dólares y requirió seis años de construcción. Enterrados bajo el hielo del Polo Sur, a profundidades de entre 1,5 y 2,5 kilómetros, hay 5.160 detectores distribuidos en un espacio de un kilómetro cúbico. Una gigantesca trampa preparada para capturar unas partículas tremendamente escurridizas.

Por dar una idea de lo difícil que es atrapar a un neutrino, hay que tener en cuenta que billones de ellos nos atraviesan cada segundo, pero si el detector solo tuviese nuestro tamaño, serían necesarios 100.000 años para ver interactuar a un neutrino con uno de nuestros átomos. La ausencia de carga eléctrica hace que no se vean afectados por la fuerza electromagnética y su levedad les hace inmunes a la gravedad. Son tan indiferentes frente a otras partículas que podrían atravesar un bloque de plomo de más de nueve billones de kilómetros de grosor sin problemas.

Pese a la dificultad de la tarea, un detector como IceCube es capaz de captar gran cantidad de neutrinos de baja energía como los producidos en los choques de los rayos cósmicos contra la atmósfera. Sin embargo, lo que sucedió en abril del año pasado fue aún más extraordinario. Dos neutrinos de más de 1.000 teraelectronvoltios (TeV) habían atravesado los dispositivos de IceCube. Normalmente, los que proceden del Sol y del impacto de los rayos cósmicos tienen entre uno y diez TeV, 100 como mucho. Esa elevada energía hacía sospechar que habían surgido fuera del Sistema Solar, en algún evento cósmico ultraviolento. A partir de ahí, los responsables de IceCube volvieron a buscar en sus registros entre mayo de 2010 y mayo de 2012. Allí, encontraron otros 26 sucesos de alta energía, que hoy se presentan en Science junto a los dos superneutrinos conocidos como Epi y Blas.

“Estos descubrimientos abren lo que llamaríamos la astrofísica de más altas energías y, probablemente, aunque aún se deberá determinar, la era de la astrofísica de neutrinos extragalácticos”, opina Carlos Peña Garay, investigador del Instituto de Física Corpuscular (UV/CSIC) de Valencia. “Hasta ahora, con los telescopios que observan rayos X o el espectro de luz visible, cuando estudiamos un agujero negro o una supernova nos estamos quedando en lo que sucede alrededor de esas máquinas que aceleran las partículas a muy altas energías, pero no vemos lo que está pasando realmente en su interior”, explica Peña Garay. “Con los neutrinos podremos ir más allá de los procesos electromagnéticos y se podrá observar lo que sucede con las interacciones fuertes y débiles dentro de estos aceleradores de partículas astrofísicos”, añade.

Un Nobel para la astronomía de neutrinos

Aún queda trabajo para saber si los neutrinos capturados en IceCube proceden de fuera de la Vía Láctea, pero es probable que tarde o temprano se sepa. De hecho, ya en 1987 Masatoshi Koshiba, en lo que se considera el inicio, aunque fuese incipiente, de la astronomía de neutrinos, detectó neutrinos procedentes de la supernova SN 1987A, que se encuentra en la Gran Nube de Magallanes, una pequeña galaxia vecina de la nuestra. Por este hallazgo, Koshiba recibió en 2002 el premio Nobel junto a Raymond Davis, pionero en la detección de neutrinos cósmicos.

Uno de los misterios que se pueden resolver en esta nueva era de la astronomía es el origen de los rayos cósmicos. “Estos rayos son partículas cargadas de energía (protones o núcleos de átomos más pesados) que llegan hasta la Tierra a unos niveles energéticos muy superiores a los que se pueden alcanzar en el LHC, el acelerador más potente del mundo”, explica el investigador de la Universidad de Wisconsin Claudio Kopper, uno de los responsables de comprender los datos recogidos por IceCube. “Pero encontrar su origen es complicado, porque como estas partículas tienen carga, se ven afectadas por los campos magnéticos galácticos e intergalácticos y sus trayectorias pasan de ser rectas a verse curvadas”, añade Kopper. Por ese motivo, es muy complicado determinar su dirección y averiguar su origen. “Sabemos, sin embargo, que estas partículas de alta energía pueden experimentar interacciones en sus fuentes que generan neutrinos ultraenergéticos”, apunta. “Como los neutrinos no tienen carga e interactúan muy rara vez, es más sencillo conocer su origen y llegan a nosotros prácticamente intactos”, concluye.

Ahora, los científicos, con los datos que recogerá a lo largo de los próximos años IceCube, tratarán de encontrar el punto del que proceden estos neutrinos de alta energía. Después, observando en el cielo qué tipo de objetos se encuentran en esa dirección, será posible conocer, por fin, qué tipo de monstruos del universo tienen el poder necesario para acelerar las partículas hasta las energías descabelladas que conocemos. Hace 80 años, Pauli, Zwicky y Hubble resolvieron algunas preguntas fundamentales sobre la naturaleza del mundo en que vivimos y con ellas iniciaron a la humanidad en nuevos misterios entonces insondables. Hoy, en una revista estadounidense se anuncia que un inmenso ingenio enterrado bajo el Polo Sur promete acabar con algunos de aquellos misterios y amenaza con introducirnos en otros aún más intrincados. Los autores del hallazgo lo tienen claro: una nueva era ha comenzado.