Una propuesta para detectar neutrinos, las partículas fantasma del Universo

Por Erika Montserrat Vilchis Quintero, Instituto de Física-UNAM.

Los neutrinos forman parte del grupo de partículas elementales, los componentes básicos de la materia que no pueden descomponerse en formas más pequeñas.

Están clasificados dentro de los leptones, junto con los electrones, y son considerados “partículas fantasmas” debido a su diminuta masa* y a que se mueven casi a la velocidad de la luz, lo que da espacio a interacciones débiles y, además, que sea complicado detectar su presencia.

Desde su descubrimiento, han resultado ser toda una materia de estudio para los científicos, pues a pesar de que se sabe de su existencia y que son muy abundantes en el Universo, (tanto que cada uno de nosotros somos atravesados por millones de ellos diariamente), determinar sus características es una tarea muy ardua. Se sabe, por ejemplo, que carecen de carga eléctrica, no obstante, su masa no ha sido determinada con exactitud.

Hasta el momento se conocen tres tipos o “sabores” de neutrinos que están determinados por el tipo de interacciones que pueden formar por medio de la fuerza débil con otros leptones:  unos que se asocian con electrones (neutrinos electrónicos), otros que interactúan con muones (neutrinos muónicos) y algunos más que se relacionan con los tau (neutrinos tauónicos).

Pero eso no es todo. Estas partículas pueden cambiar de un tipo a otro (o de un sabor a otro) al mismo tiempo que están viajando a través del espacio, una propiedad que se conoce como “oscilación”, y es una característica bastante peculiar.

Los neutrinos de alta energía también tienen la capacidad de transformarse en una partícula con carga eléctrica: un electrón, un muón o un tau, que sí pueden dejar una huella visible y cuantificable para los detectores.

Alrededor del mundo, muchas personas están involucradas en su estudio y trabajan diariamente para poder detectarlos, y así conocerlos un poco más. Sin embargo, al ser muy escurridizos y debido a que cuentan con la propiedad de la transmutación por oscilación, lo anterior no es nada sencillo pues, además de todo, hallarlos requiere de condiciones experimentales muy especiales: como la construcción de detectores subterráneos que eviten la contaminación con radiación cósmica y la disponibilidad de grandes volúmenes de material sensible que aumente la probabilidad de capturar señales visibles pese a sus débiles interacciones con la materia.

No obstante, su estudio es importante porque nos permite desentrañar la estructura interna de los nucleones (protones y neutrones) y núcleos, y además nos proporcionan información valiosa acerca de las interacciones débiles, así que rendirse ante estos obstáculos no es una opción.

Detección desde el volcán Sierra Negra

A través de los años se han propuesto varios métodos para detectar a estas partículas fantasma. Uno de los más novedosos se denomina “Earth-skimming”, utiliza detectores colocados en el suelo con el objetivo de que dichos neutrinos interactúen con los nucleones. Algunas otras técnicas incluyen dispositivos subterráneos y otras más utilizan detectores de cascadas atmosféricas para buscar neutrinos astrofísicos (provenientes de fuentes externas a la Tierra).

En México, específicamente en el estado de Puebla, a unos 4,100 metros sobre el nivel del mar, en las faldas del Volcán Sierra Negra, se ubica el observatorio High-Altitude Water Cherenkov o HAWC, por sus siglas. En este lugar tienen la capacidad de monitorear dos tercios del cielo con suficiente profundidad como para detectar rayos gamma con altas energías (GeV y TeV).

El HAWC está compuesto por 300 detectores de Cherenkov en agua (dispositivos que detectan la luz visible o fotones UV de manera instantánea y permiten la identificación de partículas), que se distribuyen en una superficie de 22,000 metros cuadrados.

Cada detector es, en apariencia, una estructura cilíndrica de acero que mide al menos 5 metros de alto y 7,3 m de diámetro, y que cuenta con una vejiga de plástico que contiene un volumen aproximado de 200,000 litros de agua y cuatro tubos fotomultiplicadores fijados en la base. Los tubos permiten detectar la luz de Cherenkov producida por partículas cargadas a medida que atraviesan el volumen de agua.

 

En un artículo publicado en 2022, titulado Characterization of the background for a neutrino search with the HAWC observatory, los autores, entre los que se encuentran distintos investigadores del Instituto de Física de la UNAM, realizaron una propuesta para detectar neutrinos que rozan la Tierra mediante este observatorio.

Para esto, trabajaron con datos obtenidos durante los meses de junio a octubre de 2017 y de enero a mayo de 2018. Estandarizaron sus pruebas y determinaron cuáles eran las posibles fuentes de contaminación que pudieran alterar sus resultados, para así evitarlas.

Restringieron la simulación y el análisis a una zona ubicada en la base del Volcán Pico de Orizaba, una región que proporcionaba el mejor escudo en contra de los muones atmosféricos (señales de ruido), lo que permitió una medición en donde el porcentaje de error global era de alrededor de 30%, con un control total de los posibles errores aleatorios, un resultado satisfactorio dado el modelo simple que emplearon.

En su artículo, los autores mencionan que el inconveniente con esta técnica es que sólo se podrían estudiar dos de los tres tipos de neutrinos: los muónicos y los tauónicos. Los electrones inducidos por los neutrinos tienen la característica de iniciar lluvias electromagnéticas poco después de que se producen y, por lo mismo, son absorbidos por el volcán e imposibles de ubicar.

Los mounes, por otro lado, tienen una vida media larga que les permite escapar de ser absorbidos por la montaña y producir un rastro medible dentro de la matriz HAWC, mientras que los tau, aunque tienen una vida media más corta en relación con los muones, su probabilidad de supervivencia está en relación a la duración de su desintegración. Así, entre más tarde en desintegrarse, mayor será la probabilidad de captarlos.

Aunque la cantidad de señales que pueden capturar es pequeña (al menos un muón inducido por neutrinos cada dos años en promedio), esperan que su trabajo pueda usarse en el futuro para desarrollar activadores y métodos de análisis más eficientes que puedan aumentar significativamente la cantidad de detecciones con experimentos como el suyo.

Como vemos, dicho estudio no sólo es muy importante para este campo de la física, sino que representa un gran logro para nuestro país, ya que con él un grupo de científicos mexicanos, entre los que están investigadores del Instituto de Física de la UNAM, demostraron por primera vez que es posible detectar neutrinos mediante un método que anteriormente se consideraba imposible debido al ruido de fondo de la radiación cósmica.

*Las partículas elementales, más que definirlas por su tamaño con un ancho o largo específico, las comprendemos como puntos matemáticos.

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