Astronomía de neutrinos

La astronomía de neutrinos es la ciencia de observar fenómenos astronómicos detectando neutrinos. Estos neutrinos son un producto de las reacciones termonucleares débiles que tienen lugar en el interior de cada estrella.^[1]

Retos para la observación

Los neutrinos interaccionan muy raramente con la materia. El flujo enorme de neutrinos solares que pasan a través de la Tierra solo es suficiente para producir una interacción por cada 10³⁶ átomos, y cada interacción produce solamente algunos fotones o la transmutación de un elemento. Para observar las interacciones de los neutrinos se necesita pues una masa grande para el detector, así como un sistema muy sensible para la amplificación de la luz producida.

Dado que la señal es muy débil, las fuentes de ruido de fondo se deben reducir todo lo posible. Las fuentes principales del ruido en el detector son las cascadas de partículas elementales producidas por los rayos cósmicos que colisionan con la atmósfera, y las partículas producidas por decaimiento radiactivo. Para reducir la cantidad de rayos cósmicos, los detectores se deben blindar por una masa grande protectora, por lo que son construidos en subterráneos profundos, o bajo el agua. Las fuentes de isótopos radiactivos también deben controlarse pues producen partículas enérgicas cuando decaen.

Para producir cualquier clase de imagen, el detector debe proporcionar la información sobre el flujo de neutrinos y la dirección de su recorrido. Aunque existen varios métodos de detectar los neutrinos, la mayoría no proporciona información direccional, y los que lo hacen, tienen una resolución angular pobre. Para mejorar la resolución angular, debe usarse un arsenal grande de detectores de neutrinos.

Diseño del detector

El diseño del detector consiste en una masa grande de agua o hielo, rodeada por un arsenal de detectores ligeros sensibles conocidos como tubos fotomultiplicadores. Este diseño se aprovecha del hecho que las partículas producidas en la interacción del neutrino entrante con un núcleo atómico viajan típicamente más rápidamente que la velocidad de la luz en el medio del detector (por supuesto, viajan más lentamente que la velocidad de la luz en un vacío). Esto genera una “onda de choque óptica” conocida como radiación de Cherenkov que se puede detectar por los tubos de fotomultiplicadores.

Detectores usados

Super-Kamiokande

El detector de neutrinos Super-Kamiokande utiliza 50.000 toneladas de agua pura rodeadas por 11 000 tubos de fotomultiplicadores enterrados bajo 1 kilómetro de profundidad. Puede detectar la dirección incidente de los neutrinos entrantes detectando que fotomultiplicadores se encienden. Kamiokande, el precursor del Super-Kamokande, podía detectar la explosión de neutrinos asociados a la supernova 1987A, y en 1988 fue utilizado para confirmar directamente la producción de neutrinos solares.

AMANDA

El conjunto antártico de detectores de muones y neutrinos (conocido como AMANDA por sus siglas en inglés) funcionó entre 1996 y 2004. Este detector utilizó tubos de fotomultiplicadores montados en cuerdas enterradas profundamente (entre 1,5-2 km) dentro del hielo glacial en el polo sur en la Antártida. El hielo mismo se utiliza como la masa del detector. La dirección de los neutrinos incidentes se determinan registrando el momento de llegada de fotones individuales usando un arsenal tridimensional de módulos en el detector que contienen cada uno un tubo fotomultiplicador. Este método permite la detección de neutrinos sobre 50GeV con una resolución espacial de aproximadamente 2 grados. Se ha utilizado AMANDA para generar mapas de neutrinos del cielo norteño para buscar para las fuentes extraterrestres de neutrinos y en las búsquedas de la materia oscura.

IceCube

Desde el 2005, AMANDA está siendo actualizado al observatorio de IceCube, aumentando eventualmente el volumen del detector a un kilómetro cúbico.

En 2012 los responsables de IceCube anunciaron la detección de dos neutrinos superenergéticos, de más de 1000 teraelectronvoltios. Sus descubridores los denominaron Epi y Blas en honor a los personajes televisivos. Posteriormente han encontrado otros 26 neutrinos de energía superior a los 30 TeV, en lo que es la primera muestra de neutrinos de muy alta energía procedentes de fuera del Sistema Solar.^[2]

SNO, Kamland, Baikal, Antares, ANITA, Nemo, Nestor, Auger, GLUE

Otros detectores que también realizan experimentos con neutrinos.

Observatorio	Localización	Volumen de detectores	Resolución angular	Rango de energías	Años de actividad
Super-Kamiokande	Hida, Gifu, Japón	50,000 m³	26°	10⁸–10¹² eV	1996–Presente
Observatorio Pierre Auger	Mendoza, Argentina	50,000 m³	2°	10¹⁷–10²¹ eV	2004–Present
Antarctic Impulse Transient Antenna	McMurdo Station, Antártida	1,000,000 km³	2°	10¹⁷–10²¹ eV	2006–2007, 2008–2009
ANTARES	Mar Mediterráneo	0.05 km³	0.3°	10¹⁰–10¹⁶ eV	2008–presente
IceCube	Polo sur	1 km³	1°	10¹¹–10²¹ eV	2010–presente
Extreme Universe Space Observatory	EEI	1,000,000 km³	2°	10¹⁹–10²¹ eV	2015 (estimado)
Baksan Neutrino Observatory	Baksan, Rusia	3,000 m³	?	?	1977–Presente

Referencias

↑ Gelmini, Graciena B. (mayo de 2010). «Through Neutrino Eyes». Scientific American. pp. 38-45.
↑ Alicia, Rivera (21 de noviembre de 2013). «Los neutrinos captados en la Antártida abren una nueva ventana al universo». Diario El País. Consultado el 21 de noviembre de 2013.

Enlaces externos

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Superkamiokande
AMANDA, un telescopio de neutrinos en la Antártida.
Fotos de Amanda
IceCube
SNO
KamLAND
Baikal
Antares
Nestor
Nemo
ANITA Archivado el 24 de septiembre de 2015 en Wayback Machine.

Datos: Q1801478
Multimedia: Neutrino astronomy / Q1801478

[SciAm-1] Gelmini, Graciena B. (mayo de 2010). «Through Neutrino Eyes». Scientific American. pp. 38-45.

[2] Alicia, Rivera (21 de noviembre de 2013). «Los neutrinos captados en la Antártida abren una nueva ventana al universo». Diario El País. Consultado el 21 de noviembre de 2013.

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[2]