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Buscando neutrinos en el
Polo Sur: el proyecto Amanda
El detector
del fin del mundo
Por Julio
Rodríguez Martino *
 El
neutrino es una de las partículas subatómicas más
difíciles de detectar. No tiene carga eléctrica, su masa
(si la tiene) es extremadamente pequeña y sólo es afectado
por lo que se denomina interacción débil. Es producido en
diversos procesos físicos, muchos de los cuales ocurren en lugares
remotos del Universo.
Una partícula escurridiza
La pregunta más evidente es cómo detectar una partícula
tan escurridiza como los neutrinos. Para hacerlo es necesario que encuentre
a otra partícula y se produzca una interacción. La probabilidad
de que este encuentro ocurra aumenta cuando el neutrino posee mayor energía
y cuando un número grande de otras partículas se interponen
en su camino, de la misma manera que un conductor tiene más probabilidad
de sufrir un choque si maneja a alta velocidad por una avenida muy transitada.
Entonces, si queremos detectar neutrinos de alta energía, una solución
posible es interponer en su camino toda la materia que tengamos disponible.
O sea, poner todo el planeta Tierra entre los neutrinos y nuestro detector.
Un destello en el hielo
En las mencionadas interacciones se produce otra partícula, el
muón, que puede ser detectada con relativa facilidad. Dado que
el muón tiene carga eléctrica, es posible utilizar lo que
se denomina efecto Cherenkov: cualquier partícula cargada que atraviesa
un material transparente a alta velocidad produce luz. Con instrumentos
sensibles a este tipo de radiación es posible reconstruir el camino
seguido por el muón y tratar de deducir a partir de él el
camino del neutrino que lo originó.
Lo que necesitamos es conseguir una gran cantidad de material transparente
donde podamos ver la luz producida por los muones. Desde el punto de vista
práctico lo más adecuado es utilizar un medio natural, como
un gran lago, el océano o un glaciar. Así surge la idea
de construir Amanda (Antartic Muon And Neutrino Detector Array) en la
base AmundsenScott, en la Antártida, más precisamente en
el Polo Sur. Aproximadamente 3 km de hielo se acumulan sobre la superficie
del continente en ese lugar y este enorme glaciar puede ser utilizado
como parte del detector. Las capas más profundas se encuentran
casi libres de burbujas de aire (debido a la alta presión) y son
extremadamente transparentes.
El detector es construido y operado por una colaboración internacional
de laboratorios de Alemania, Bélgica, Estados Unidos y Suecia.
Está formado por una serie de fotomultiplicadores (detectores de
luz muy sensibles), colocados en el hielo, a una profundidad que oscila
entre los 1150 y los 2350 metros. Estudia los neutrinos que llegan desde
abajo, atravesando la Tierra desde el hemisferio norte. Estos interactúan
en la roca o el hielo debajo del detector produciendo muones, cuya luz
Cherenkov es vista por los fotomultiplicadores. Se mide el tiempo relativo
en que la luz llega a cada uno de ellos y así se reconstruye el
camino seguido por el muón y el neutrino.
El detector del fin del mundo
Realizar este experimento sería relativamente fácil, si
no fuera por la ubicación del detector. El Polo Sur está
a miles de km de cualquier lugar habitado. Sólo se puede llegar
hasta allí en verano, cuando la temperatura promedio es de 30 grados
bajo cero. Durante los 6 meses de invierno el sol no aparece sobre el
horizonte y las temperaturas descienden hasta los 70 grados bajo cero,
haciendo imposible el acceso.
Afortunadamente, el interés de Estados Unidos por mantener una
presencia activa en el Polo Sur hizo que se construyera allí una
estación (llamada Amundsen-Scott en honor a los primeros exploradores
en llegar al Polo Sur), con las mejores instalaciones que el lugar permite
para garantizar la posibilidad de realizar todo tipo de actividades científicas.
La Fuerza Aérea y la Marina norteamericanas realizan vuelos regulares
hacia el Polo durante el verano, transportando alimentos, equipos y personal,
entre ellos científicos de varias nacionalidades y de diversas
disciplinas. A pesar de ser verano, el frío es tan intenso que
los Hércules C-130 que se utilizan para el transporte deben permanecer
con sus motores encendidos durante el tiempo necesario para la carga y
descarga. Si no lo hicieran, el aceite de los motores se congelaría
y no podrían volver a despegar. También es necesario equiparlos
con esquíes en lugar de ruedas, para permitir el aterrizaje sobre
la pista que se improvisa aplanando el hielo con palas mecánicas.
Un largo y oscuro invierno
Si bien no es posible llegar hasta la estación durante el largo
y oscuro invierno, alguien debe cuidar las instalaciones de los diversos
experimentos. Una veintena de personas despiden en febrero al último
avión y se quedan allí, sólo comunicados con el resto
del mundo a través de Internet y, eventualmente, de alguna llamada
telefónica vía satélite.
Evidentemente este trabajo no es para cualquiera. Hay que pasar meses
alejados de las personas queridas, en un desierto de hielo, con temperaturas
imposibles de soportar sin equipos especiales y sin ver el sol. Los candidatos
se eligen, además de por su habilidad para mantener la estación
en funcionamiento, por sus excelentes condiciones físicas y psíquicas.
Las instalaciones permitirían atender una emergencia médica
no muy complicada, pero lo mejor es prevenir cualquier problema. También
es extremadamente importante que los elegidos puedan integrarse como un
grupo y que sean capaces de soportar el aislamiento.
Por supuesto, no todo es negativo. Los edificios dentro de la estación
están calefaccionados a 23 grados para hacer más agradable
la estadía; la comida es excelente; existen más de 2000
películas en video, con tres televisores de pantalla gigante para
verlas y diversos juegos de mesa con los que pasar un buen rato cuando
el trabajo lo permite. Pero, por sobre todo, se gana muy bien. Más
de 50.000 dólares en 13 meses...
Construyendo a Amanda
Colocar los detectores en un ambiente tan hostil no es sencillo. Se perforan
agujeros en el hielo utilizando agua caliente a presión. Se controla
precisamente la posición del taladro, de manera que es posible
llegar hasta profundidades mayores a los 2 km con mínimas desviaciones
de la vertical. Una vez terminada la perforación se colocan los
fotomultiplicadores en cables de acero y se comienzan a bajar con la ayuda
de una grúa. Para este trabajo es necesario permanecer varias horas
fuera de la estación, trabajando con ropa especial, que muchas
veces dificulta los movimientos. A esto se suma el efecto de la altura
(cerca de 2800 m sobre el nivel del mar) que reduce el oxígeno
y acelera el cansancio físico.
Cada cuerda cuenta con un número variable de fotomultiplicadores,
entre 20 y 42 y la instalación puede demorar un par de días.
Luego de aproximadamente una semana, el agujero se congela nuevamente,
en forma natural. En este momento hay 428 fotomultiplicadores instalados
en el hielo y se espera que entre diciembre y febrero próximos
se coloquen los que restan para completar el número final: 680.
Entender la física en el Universo
Nuestro objetivo es conseguir, después de tanto esfuerzo, que Amanda
nos ayude a entender los procesos físicos que ocurren en lugares
lejanos del Universo. Las teorías indican que los remanentes de
supernovas, las estrellas binarias, los púlsares y los núcleos
galácticos activos serían fuentes de neutrinos de alta energía.
Al detectarlos podríamos confirmar estas teorías y aprender
más sobre lo que pasa dentro de esos objetos estelares. Pero el
plato fuerte puede venir de más cerca, desde el centro de nuestro
planeta. Algunas teorías predicen la existencia de partículas
denominadas neutralinos, que se acumularían en el centro de cuerpos
masivos como la Tierra o el Sol. Estas partículas son uno de los
candidatos a ser la materia oscura del Universo. Los neutralinos decaerían
produciendo neutrinos que pueden ser detectados por Amanda, confirmando
así su existencia. Contribuiríamos así, al menos
en parte, a develar varios misterios que vienen preocupando a los astrofísicos
y a los físicos de partículas desde hace años. Y
todo gracias a una partícula casi insignificante, que fue “inventada”
por los físicos teóricos para que las cuentas cerraran,
pero que existe y logró convertirse en protagonista de la ciencia
moderna.
* Físico
e investigador argentino de la Universidad de Estocolmo, que participa
en el proyecto Amanda en el Polo Sur.
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