Observatorio de neutrinos IceCube. Créditos: Universidad de Wiscosin-Madison.
El Observatorio de neutrinos IceCube, un telescopio ubicado en el Polo Sur, que detecta las partículas subatómicas conocidas como neutrinos, ha medido las oscilaciones de neutrinos de alta energía.

IceCube fue diseñado principalmente para estudiar neutrinos producto de cuerpos astrofísicos tales como supernovas y estallidos de rayos γ. Sin embargo, la detección de oscilaciones de neutrinos - la transformación de un tipo de neutrino en otro - representa un nuevo territorio para el experimento científico, un área que cae bajo el paraguas de la física de partículas.

"Este es nuestro primer paso en la física de partículas", expresa Andreas Gross, un investigador postdoctoral en la Universidad Técnica de Munich, Alemania, quien dirigió el análisis de la oscilación.

Si bien los resultados son relativamente sorprendentes, los investigadores dicen que IceCube puede llegar a ser capaz de contribuir a una comprensión explícita de la jerarquía de la masa del neutrino, o cualquiera de los tres tipos de neutrinos conocidos, o 'modelos'.

Gross presentó el análisis el lunes en la 25va Conferencia Internacional de física de neutrinos y Astrofísica en Kyoto, Japón. La conferencia también marca la primera vez que el equipo ha presentado datos recogidos en la matriz de sensores completa, que se completó en diciembre de 2010.

El análisis de Gross muestra una desaparición en la atmósfera, ya que los neutrinos muón oscilan en neutrinos tau. Aproximadamente 300 mil millones de estos neutrinos atmosféricos se crean cada minuto debido a los rayos cósmicos que colisionan con las moléculas de aire en la atmósfera de la Tierra, añade Francis Halzen, físico de la Universidad de Wisconsin-Madison e investigador principal de la colaboración IceCube. IceCube detecta sólo una decena de neutrinos atmosféricos por hora. La energía de los neutrinos oscilantes se redujo a un intervalo comprendido entre 10 y 100 gigaelectronvoltios (GeV), siendo la señal más intensa la que alcanzó unos 30 GeV.

A pesar de que las oscilaciones de muones tau han sido bien estudiadas por el acelerador a base de experimentos con neutrinos de energías más bajas, los resultados confirman que las oscilaciones se comportan como se sospechaba en los rangos de mayor energía. Mark Chen, un físico de la Universidad de Queens en Kingston, Ontario, y el director del experimento de neutrinos SNO+ que se está construyendo en Sudbury, Ontario, dice que los resultados ofrecen una "nueva prueba" a altas energías. "Siempre es bueno para poner a prueba los modelos y las observaciones de prueba", agrega.

Investigadores de Super-Kamiokande, un experimento de neutrinos cerca de Higashi-Mozumi, Japón, también han detectado un pequeño número de oscilaciones de alta energía. Sin embargo, Yoshitaka Itow, un físico de Super-Kamiokande la Universidad de Nagoya en Japón, dice la resolución del experimento de energía por encima de 10 GeV es muy pobre y que por encima de 50 GeV, el experimento no puede resolver la energía de los neutrinos oscilantes en absoluto, por lo que no puede igualar las nuevas solicitudes de IceCube.

Profundizando


El detector IceCube consta de 86 cuerdas o cadenas largas de tubos fotomultiplicadores, espaciados a una misma distancia en un área de cerca de 1 kilómetro cuadrado, y desaparece en las profundidades de 1.4 a 2.4 kilómetros bajo la superficie del hielo. Cuando un neutrino interactua con una molécula de agua, la reacción produce un destello de luz débil que es detectada por los tubos fotomultiplicadores y traducido en una señal digital.

La mayor parte del tiempo, los científicos que laboran en IceCube estudian los neutrinos por encima de 1,000 GeV que emanan de fuentes astrofísicas. Pero para llegar a las oscilaciones de neutrinos, se debe tener como objetivo captar neutrinos de alta energía, porque la probabilidad de oscilaciones que se producen disminuyen con el aumento de la energía. Por encima de unos pocos cientos de GeV, las oscilaciones de los tres conocidos tipos de neutrinos son demasiado raras que vale la pena buscar. Así, en 2009, los investigadores IceCube instalaron el primer observatorio. Llamado DeepCore, se compone de ocho cadenas de fotosensores agrupados y en estrecha colaboración con la parte más profunda, el hielo más claro en la matriz de IceCube. DeepCore proporciona mediciones de precisión en el rango de decenas de GeV, de unos pocos a cien.

La colaboración IceCube está estudiando la posible adición de un relleno en un segundo lugar, llamado PINGU (Phased IceCube Next Generation Upgrade), que agrupará una serie adicional de cadenas en DeepCore y permitirá que IceCube detecte oscilaciones tan bajas como pocos GeV. A estas bajas energías, IceCube puede detectar no sólo más eventos de oscilaciones, sino también, los investigadores esperan que, los "efectos en la materia", un fenómeno en donde las oscilaciones de neutrinos en la materia son diferentes de las oscilaciones de neutrinos en el vacío. Este efecto es causado por la interacción entre los neutrinos y electrones en la materia, que cambia la masa efectiva de los neutrinos. La observación de efectos de materia puede hacer posible aprender más sobre las masas de los neutrinos, incluyendo la jerarquía de la masa del neutrino.

Referencia:


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