lunes, 10 de enero de 2011

IceCube Neutrino Observatory: Un detector de neutrinos

IceCube en la Estación Amundsen-Scott, en el Polo Sur. Créditos: NSF/C. Carpente
El IceCube Neutrino Observatory es una estructura de más de un kilómetro cúbico ubicada a 1,400 metros debajo de la Antartida, que requirió diez años para poder ser construida y la colaboración de Estados Unidos, Belgica, Alemania y Suecia.

Tiene como propósito detectar la "radiación de Cherenkov", un tipo de radiación que es producida por el paso de partículas a través de un medio a una velocidad superior de la luz en tal medio. Estudiará los neutrinos, una de las partículas elementales que viajan casi a la velocidad de la luz, con carga neutra y que facilmente pueden atravesar objetos, haciendo difícil su observación.

Los neutrinos a pesar de que pueden atravesar materia con facilidad, rara vez interactúan con átomos. Se considera que trillones de estas partículas atraviesan cada segundo el planeta, pero por su diminuta masa en raros casos colisionan con un átomo. Su importancia radica en que permiten identificar la materia oscura en el Universo para así continuar los estudios de tan enigmática materia.

Para poder detectar las colisiones, el detector debe de tener grandes dimensiones y estar bajo tierra para poder aislar otras radiaciones.

El IceCube Neutrino Observatory operado por la Universidad de Wisconsin-Madison y el National Science Foundation, reconocerá una luz azul, la llamada radiación de Cherenkov producida por los neutrinos cuando choquen contra el hielo, para ello se aprovechara de los hielos del Polo Sur, uno de los hielos más puros.

Estructura
Estructura de IceCube Neutrino Observatory. Créditos: IceCube Science Team - Francis Halzen, Department of Physics, University of Wisconsin

Esta ubicada cerca de una de las bases de EE.UU. en la Antartida. Para conseguir la profundidad deseada se uso una excavadora que usó agua caliente para poder penetrar 2 kilómetros de profundidad.

Se requirieron diez años para poder concluirlo, siendo en diciembre pasado cuando se colocaron los últimos fotodetectores a una profundidad de 2.5 kilómetros. Cada uno de los sensores, del tamaño de un balón, se ha colocado en un bloque de hielo.

Las señales que se han capturadas por los tubos fotomultiplicadores (PMT) se digitalizaran y enviaran a la superficie, para su posterior estudio.

Áreas de estudio

Además de estudiar la radiación de Cherenkov y los neutrinos, el IceCube Neutrinos Observatory tiene como propósitos:

Las fuentes puntuales de neutrinos de alta energía. Una fuente puntual de los neutrinos podrían ayudar a explicar el misterio del origen de los rayos cósmicos de mayor energía. Estos rayos cósmicos tienen energías suficientemente altas que no pueden controlarse por los campos magnéticos galácticos, por lo que se cree proceden de fuentes extra-galácticas. IceCube puede observar estos neutrinos: su área de distribución de energía observable es de unos 100 GeV (0,1 TeV) a varios PEV. Cuanto más energía produzca un evento, más posibilidad de que IceCube las detecte, en este sentido, IceCube es más similar a los telescopios Cherenkov como el Observatorio Pierre Auger de lo que es a la experimentación con los neutrinos, tales como Super-K.

A pesar de que se espera que IceCube detecte muy pocos neutrinos (en relación con el número de fotones detectados por los telescopios más tradicional), debe tener una resolución muy alta con los que se encuentran. Durante varios años de funcionamiento, se podría producir un mapa de flujo del hemisferio norte, similar a los mapas ya existentes, como la del fondo cósmico de microondas o rayos gamma de telescopios , que utilizan la terminología de las partículas más como IceCube. Del mismo modo, KM3NeT pudo completar el mapa para el hemisferio sur.

Estallidos de rayos gamma que coincida con los neutrinos.Cuando los protones colisionan entre sí o con fotones , el resultado suele ser piones . Piones cargados decaen en muones y muones neutrinos, mientras que piones neutros decaen en rayos gamma . Potencialmente, el flujo de neutrinos y el flujo de rayos gamma pueden coincidir en ciertas fuentes, tales como las explosiones de rayos gamma y los remanentes de supernova , indicando la naturaleza evasiva de su origen. Los datos de IceCube se utilizarán en combinación con detectores de rayos cósmicos como HESS y MAGIC para este objetivo.

Búsqueda indirecta de materia oscura. La partícula fundamental (WIMP) de materia oscura puede ser atraída por el Sol. Cuando se alcanza una masa crítica, se poempiezan a aniquilar ellas mismas. Los productos de desintegración de esta aniquilación son neutrinos, que pueden ser observados por IceCube como un exceso de neutrinos de la dirección del sol. Esta técnica de buscar los productos de desintegración de la aniquilación WIMP se llama indirecta, a diferencia de las búsquedas directas que buscan la interacción de materia oscura dentro de una figura. Búsquedas WIMP son más sensibles a modelos dependientes de muchas búsquedas directas, porque el Sol está hecho de elementos más ligeros que los detectores de búsqueda directa (por ejemplo de xenón o germanio).

Oscilaciones de neutrinos.IceCube puede observar oscilaciones de neutrinos atmosféricos de lluvias de rayos cósmicos. Es más sensible que el rango ~ 25 GeV de Deep Core, siendo capaz OceCube de observar a θ23. A medida que más datos se recojan IceCube puede refinar esta medida, siendo posible observar un cambio en el pico de la oscilación de neutrinos que determina la jerarquía de masas . Este mecanismo para la determinación de la jerarquía de masas sólo funcionaría si θ13 es lo suficientemente grande (cerca de los límites actuales).

Supernovas galácticas. A pesar de que los neutrinos individuales de las supernovas tienen energías muy por debajo del punto de corte de energía IceCube, IceCube puede detectar una supernova local. La supernova tendría que estar relativamente cerca (dentro de nuestra galaxia) para obtener los neutrinos suficiente antes de 1/r2 distancia de dependencia.

La teoría de cuerdas.La estrategia de detección descritos, junto con su posición en el polo Sur, podría permitir que el detector proporcione la primera evidencia experimental sólida de dimensiones adicionales previstas en la teoría de cuerdas . Muchas extensiones del Modelo Estándar de física de partículas, incluyendo la teoría de cuerdas, proponer un neutrino estéril , en la teoría de cuerdas se trata de hecho de una cuerda cerrada . Estos podrían filtrarse en las dimensiones extra antes de regresar, por lo que parecen viajan más rápido que la velocidad de la luz. Un experimento para probar esto puede ser posible en un futuro próximo. Por otra parte, si los neutrinos de alta energía microscópica crean agujeros negro (según lo predicho por algunos aspectos de la teoría de cuerdas) daría lugar a una lluvia de partículas, resultando en un aumento de neutrinos "down" a la par de una reducción de neutrinos "up".

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