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.