El cambio de signo de la anisotropía de los rayos cósmicos alrededor de 100 TeV

IceCube, el telescopio de rayos cósmicos situado en el Polo Sur, ha recolectado 150 mil millones de sucesos producidos por muones con energía por encima de 10 TeV. Esta ingente cantidad de datos permite estudiar anisotropías al nivel de una parte en cien mil. El resultado es que la «polaridad» de la anisotropía dipolar cambia alrededor de los 100 TeV; IceTop confirma este cambio hasta los 2 PeV. Todo apunta a dos fuentes diferentes de muones, una para los de energía por debajo de 100 TeV y otra para los de energía por encima. Un misterio más a añadir a lista de problemas sin resolver que nos muestra el universo a altas energías. El artículo técnico es IceCube Collaboration, «Observation of TeV-PeV cosmic ray anisotropy with IceCube, IceTop and AMANDA,» arXiv:1308.0246, Subm. 1 Aug 2013.

La sombra de la Luna observada por IceCube en el Polo Sur

Mucha gente dirá que observar la Luna a simple vista es mucho mejor que observar su sombra utilizando rayos cósmicos de TeV en IceCube, el gigantesco detector de neutrinos y rayos cósmicos situado en el Polo Sur. IceCube ha observado la sombra de la Luna con más de 6σ entre abril de 2008 y mayo de 2009 utilizando 40 cuerdas de detectores (configuración IC40) y entre mayo de 2009 y mayo de 2010 utilizando 59 cuerdas (configuración IC59), logrando un error menor de 0,2 grados de resolución angular; para que tengas una idea de lo que significa esto, en la figura se ha dibujado la Luna con un círculo blanco. La sombra de la Luna se ha observado gracias a un déficit de 5320 ± 501 rayos cósmicos en IC40 (de un total de 18,8 millones) y de 8700 ± 550 en IC59 (de un total de 22,2 millones), lo que implica una significación de 10,2 σ y 13,9 σ, resp. Este estudio muestra la buena direccionalidad del detector, un factor importante a la hora de interpretar sus resultados sobre neutrinos de muy alta energía. El artículo técnico es IceCube Collaboration, «Observation of the cosmic-ray shadow of the Moon with IceCube,» arXiv:1305.6811, 29 May 2013.

Epi y Blas (Ernie & Bert) los dos neutrinos UHE observados por IceCube

Los dos neutrinos electrónicos ultraenergéticos (energía superior a 1 PeV, peta-electrón-voltio) observados por IceCube (el detector de neutrinos situado en el Polo Sur) fueron bautizados como Ernie y Bert, los nombres en inglés de Epi y Blas, en homenaje a los protagonistas de la serie infantil Barrio Sésamo por el siguiente sketch en el que Epi mostraba sus «ice cubes» (cubos de hielo) a Blas (fuente).

 

IceCube observa dos neutrinos electrónicos de récord con una energía mayor de 1 PeV

Todavía es un resultado preliminar, pero todo indica que IceCube ha logrado observar dos neutrinos electrónicos con una energía superior a 1 PeV (peta-electrón-voltio), uno el 9 de agosto de 2011 y otro el 3 de enero de 2012, tras 673 días de observación entre 2010 y 2012. Todo indica que se trata de neutrinos de origen cósmico. Este resultado es importante porque durante los primeros 333 días de observación, entre 2008 y 2009, no se observó ninguno, cuando todo el mundo esperaba que así fuera, lo que se llegó a llamar el misterio de los neutrinos ultraenergéticos (UHE). Este resultado preliminar ha sido anunciado en dos conferencias: Aya Ishihara (for the IceCube collaboration), «IceCube: Ultra-high Energy Neutrinos,» Neutrino2012 at Kyoto June 8th 2012; y Kara Hoffman, «Recent Results from the IceCube Neutrino Observatory,» ICFP 2012, Crete, Greece, 10-16 June 2012.

Se cree que estos neutrinos ultraenergéticos tienen un origen cósmico y podrían ser originados por la interacción entre protones de alta energía de los rayos cósmicos y los fotones del fondo cósmico de microondas. El problema es que observar solo dos neutrinos UHE en cinco años en IceCube implica que hay menos protones de alta energía de lo que se creía o que no conocemos como creemos todas las fuentes en el universo capaces de acelerar estos protones a energías tan altas. Por tanto, observar estos dos neutrinos UHE no resuelve el misterio del porqué solo se han observado dos en cinco años cuando muchos físicos esperaban la observación de muchos más (como mínimo unos ocho). En cualquier caso, el mapa del cielo observado con neutrinos UHE ya no es tan negro como parecía.

Más información en este blog: «El misterio de los neutrinos ultraenergéticos que no han sido detectados por IceCube,» 19 abril 2012; «El presente y el futuro de los grandes telescopios de neutrinos,» 16 octubre 2011.

El misterio de los neutrinos ultraenergéticos que no han sido detectados por IceCube

Todo el mundo creía que los fotones de ultraaltaenergía (UHE), por encima de 10¹⁸ eV, detectados en los rayos cósmicos eran generados por brotes de rayos gamma (GRB). Los modelos teóricos predicen que estos fotones tienen que interaccionar con protones produciendo piones que decaen en neutrinos de ultraaltaenergía. IceCube los ha buscado y no los ha encontrado. O bien los GRB no son la única fuente de los fotones UHE, o bien por alguna razón desconocida se producen menos neutrinos de los predichos. Todo un misterio que mina las bases teóricas sobre las que se sustentan los modelos de los GRB. La colaboración IceCube ha publicado este importante resultado en la prestigiosa revista Nature. Muchos teóricos esperaban que IceCube observara estos neutrinos (que AMANDA no pudo observar) porque podrían ser señales de la física a la escala de Planck (se propuso en 2006 que podrían ser las primeras señales de la teoría de cuerdas). La ausencia de los neutrinos UHE con una confianza a 4 sigmas nos recuerda que aún ignoramos muchísimas cosas sobre los fenómenos violentos del universo. El artículo técnico es IceCube Collaboration, «An absence of neutrinos associated with cosmic-ray acceleration in γ-ray bursts,» Nature 484: 351–354, 19 April 2012. Nos lo cuentan muchos sitios, como en Anil Ananthaswamy, «Neutrino no-show deepens cosmic ray mystery,» NewScientist, 18 April 2012.

La última vez que hablé en el programa de radio La Rosa de los Vientos de Onda Cero (02 abril 2012, a partir del minuto 20:00) me preguntaron por el experimento AMANDA y sobre la posibilidad de que sus resultados pudieran verificar las dimensiones extra del espaciotiempo predichas por la teoría de cuerdas (resultado publicado en 2006). Unos físicos teóricos propusieron que si estos neutrinos eran detectados y se comportaban de cierta manera, entonces mostrarían una huella de estas dimensiones extra. AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array) no logró observar estos neutrinos ultraenergéticos. Su sucesor, IceCube, un detector en el polo sur muchísimo más grande, tampoco los ha detectado. Una sorpresa tremenda que costará digerir a mucha gente. Se han observado unos 190 GRB entre mayo de 2009 y mayo de 2010 y el detector IceCube debería haber visto algunos neutrinos producidos en estos GRB. El resultado negativo de IceCube solo tiene una explicación posible: hay muchos fenómenos violentos en el universo que creíamos entender, pero que aún guardan muchos secretos por desvelar.

Los neutrinos originados en los GRB se producen por la desintegración de piones cargados que se producen en la interacción de entre protones de alta energía y los rayos gamma ultraenergéticos generados en el interior de los GRB. La interacción p+γ→n+π⁺ (donde p es un protón, γ es un fotón o rayo gamma, n es un neutrón y π⁺ es un pión) conlleva la desintegración π⁺→µ⁺ν_µ, que produce neutrinos muónicos (ν_μ) y muones que a su vez se desintegran en positrones de los rayos cósmicos, neutrinos electrónicos (ν_e) y antineutrinos muónicos. IceCube es un telescopio de neutrinos que debería detectar estos neutrinos de ultraaltaenergía. Para los astrofísicos teóricos el nuevo resultado de IceCube es una acicate para trabajar duro tratando de entender la física de los GRB y el origen de los rayos gamma ultraenergéticos. Quizás los núcleos galácticos activos (AGN), por agujeros negros supermasivos, podrían ser las fuentes de muchos fotones y por ello no se observan los neutrinos UHE.

Mi opinión sobre la relación entre los neutrinos superlumínicos de OPERA y el experimento IceCube

Algunos lectores me habéis pedido mi opinión en relación a los datos sobre los neutrinos superlumínicos del experimento IceCube, que son datos en contra de que sean superlumínicos; estas noticias, y muchas otras, hacen referencia al artículo técnico de Ramanath Cowsik, Shmuel Nussinov, Utpal Sarkar, «Superluminal Neutrinos at OPERA Confront Pion Decay Kinematics,» Phys. Rev. Lett. 107: 251801, 16 Dec. 2011 [gratis en ArXiv]. Lo primero es lo primero, estos tres investigadores no son miembros de la Colaboración IceCube y dicho artículo no es un artículo de dicha colaboración. Lo segundo, el análisis cinemático que presenta dicho artículo está basado en hipótesis «razonables» que podrían ser incorrectas. Veamos cuáles son dichas hipótesis y cuáles son sus consecuencias.

Un pión sublumínico que decae (o se desintegra) en un muón sublumínico y un neutrino muónico superlumínico puede violar la invarianza Lorentz o no. El experimento OPERA ha observado neutrinos superlumínicos que violan la invarianza Lorentz, ya que su dependencia E(p), entre su  energía y su momento lineal, no es la predicha por la teoría de la relatividad especial para taquiones. Cowsik y sus colegas cuantifican esta violación obteniendo una desigualdad válida para cualquier expresión general E(p), bajo las condiciones de que se cumple la conservación de la energía y el momento, la energía es positiva y la velocidad v=dE(p)/dp. Bajo estas condiciones «razonables» la violación de la invarianza Lorentz se cuantifica mediante un parámetro η que cumple que 0 ≤ η ≤ 1−(m/M)², donde m y M son las masas en reposo del muón y del pión, respectivamente; no hay violación para η=0 y ésta es máxima en el otro extremo.

La velocidad de los neutrinos relativa a la velocidad de la luz en el vacío, α=(v−c)/c, es una función del parámetro de violación de la invarianza Lorentz, es decir, α (η); esta relación es cinemática y se cumple para cualquier relación general E(p) bajo las hipótesis del artículo. Para los neutrinos observados en el experimento OPERA, la relación general predice α < 4 × 10^-6, sin embargo, el resultado experimental es α < 2,5 × 10^-5; por tanto, los autores concluyen que debe haber un error sistemático en el experimento OPERA. Por supuesto, se puede dar el caso de que las hipótesis de partida sean incorrectas. Los autores utilizan datos de IceCube y otros experimentos que detectan neutrinos de los rayos cósmicos para acotar el valor de α (η); el valor más restrictivo viene dado por IceCube que afirma que α < 10^-12 para neutrinos muónicos, aunque para los neutrinos electrónicos observados gracias a la supernova SN 1987A se tiene que α < 10^-20.

Los autores concluyen de su análisis cinemático «general» que los neutrinos muónicos de OPERA no pueden ser superlumínicos porque su predicción para el valor de  α (η) es un orden de magnitud menor que el observado. En mi opinión, afirmar que su conclusión deriva de IceCube es interpretar de forma sesgada el artículo técnico.

Por cierto, el artículo «Datos sobre los neutrinos superlumínicos experimento IceCube,» Teknociencia.com, está muy bien ilustrado con interesantes vídeos que recomiendo a todos.

El fracaso de IceCube, el telescopio de neutrinos cósmicos situado en el Polo Sur

 

Carl Sagan afirmó que «la ausencia de evidencia no es evidencia de la ausencia» (absence of evidence is not evidence of absence). El detector IceCube situado en la Antártida tiene por objetivo detectar neutrinos cósmicos de alta energía originados en las ráfagas de rayos gamma (GRB) emitidas por enormes agujeros negros en rápida rotación. IceCube es el primer telescopio de neutrinos capaz de detectar los que tienen una energía entre 1 TeV y 1 PeV, y su instalación se finalizó en diciembre de 2010. Tras 13 meses de observación (parte de ellos solo con la mitad de IceCube mientras la otra mitad estaba en construcción) no se ha observado ningún neutrino cósmico; sin embargo, se esperaba detectar algunos de los emitidos por los 117 GRBs detectados durante dicho periodo. Durante la media hora posterior a la detección del primer rayo gamma de cada GRB no se ha observado ningún neutrino; tampoco durante las 24 horas posteriores se puede asociar ninguno a dicho evento GRB. Ningún físico teórico especialista en GRBs, ni ningún miembro de la Colaboración IceCube podía soñar, ni en sus peores pesadillas, que tras un año de operación de IceCube no se detectara ningún neutrino cósmico. Todos los modelos teóricos de los GRBs afirman que además de rayos cósmicos emiten de forma simultánea neutrinos, rayos cósmicos y hasta ondas gravitatorias. Otro análisis de la colaboración IceCube que estudió 36900 fuentes astrofísicas puntuales que podrían emitir neutrinos de alta energía en la escala TeV-PeV tampoco encontró ningún neutrino que se pudiera asociar con alguna de estas fuentes. Nos lo ha contado Dieter H. Hartmann, «Astroparticle physics: A multi-messenger story,» Nature 475: 303–304, 21 July 2011, haciéndose eco del artículo técnico de la IceCube Collaboration, «Limits on Neutrino Emission from Gamma-Ray Bursts with the 40 String IceCube Detector,» Phys. Rev. Lett. 106: 141101, 7 April 2011, así como de IceCube Collaboration, «Time-integrated searches for point-like sources of neutrinos with the 40-string IceCube detector,» The Astrophysical Journal 732: 18, 2011.

Las supernovas y los GRBs implican una liberación enorme de energía. Los modelos teóricos indican en ambos que más del 99% de dicha energía se emite en forma de neutrinos. Sin embargo, a diferencia de los fotones, los neutrinos son muy difíciles de detectar debido a las grandes distancias cosmológicas implicadas y su poca interacción con la materia (pequeña sección transversal de interacción). El detector IceCube es el instrumento principal con el que los astrónomos esperan observar los neutrinos emitidos por los GRBs y otras fuentes. Un volumen de aproximadamente 1 kilómetro cúbico de hielo en el que están enterrados cadenas de fotodetectores.

No haber detectado ningún neutrino cósmico en el rango de energías de entre los TeV (teraelectrónvoltio) y los PeV (petaelectrónvoltio) tiene dos implicaciones posibles. Por un lado, hay que refinar los modelos teóricos sobre los GRBs tratando de encontrar algún proceso que reduzca el flujo de neutrinos emitidos o que cambie sus propiedades de tal manera que al llegar a la Tierra esquiven su detección mediante IceCube. Por otro lado, hay que refinar los modelos teóricos utilizados para interpretar las observaciones de los detectores de IceCube. Los neutrinos a través de la luz Cherenkov de los muones secundarios que resultan de las interacciones entre los neutrinos y los nucleones (protones o neutrones) en el hielo. El largo camino libre medio de los muones en hielo (de muchos kilómetros) permite analizar un gran volumen de hielo y detectar neutrinos en el régimen de TeV-PeV. Por supuesto, la probabilidad de conversión de un neutrino en un muón en el volumen de hielo del detector no del 100% y se muchos neutrinos pueden atravesar IceCube sin ser detectados. Quizás los miembros de la colaboración han sobreestimado la probabilidad de detección de estos neutrinos. En cualquier caso, habrá que realizar una profunda revisión de los fundamentos teóricos que subyacen al mayor telescopio de neutrinos cósmicos del mundo.

PS (6 ago. 2011): Más sobre IceCube en este tema en Juan Antonio Aguilar, «Neutrino Point-Source Search in IceCube,» TeVPA 2011, August 2, 2011. ANTARES tampoco ha detectado neutrinos de alta energía, como nos contó J. P. Gómez-González (on behalf of the ANTARES collabora), «Search for Point Sources of High Energy Neutrinos with ANTARES,» TeV PA Conference, August 1­‐5, 2011. Tampoco lo ha hecho el observatorio Pierre Auger, como nos contó J. Luis Navarro (University of Granada, Pierre Auger Collaboration), «Neutrino Astrophysics with thePierre Auger Observatory,» VII TeV Particle Astrophysics Conference, August 1-5, 2011.