Nobel de Física para el “cazador de neutrinos” en el Polo Sur

Halzen, nacido en 1944 en Tienen, Bélgica, y profesor de la Universidad de Wisconsin en Madison, se hizo acreedor a la distinción por sus “contribuciones decisivas” al observatorio IceCube y “al descubrimiento de neutrinos de alta energía de origen astrofísico”, dice el comunicado de la Academia Sueca. Concibió un detector de dimensiones formidables que se enterró muy cerca del Polo Sur.

Al presentarlo, la profesora Eva Olsson lo resumió así: “Halzen se dio cuenta de que enterrando sensores en el hielo se podrían ver estos fantasmales mensajeros del cosmos que hablan de galaxias remotas y de estrellas que estallan, y muchos colegas se sumaron a la búsqueda”.

El neutrino, verdadero protagonista de esta trama, es una partícula subatómica prácticamente invisible. No tiene carga eléctrica, casi no tiene masa y atraviesa la materia como si no existiera. Se calcula que cada segundo, sin que nadie lo note, 65.000 millones de neutrinos producidos en el Sol atraviesan un área similar a la uña de un dedo meñique.

Es esa elusividad lo que presenta el mayor desafío. “Los neutrinos son muy difíciles de detectar, porque interactúan sólo débilmente con la materia”, explica Esteban Roulet, físico del Instituto Balseiro. Los que llegan del Sol o de los reactores nucleares (de baja energía) se estudian desde hace décadas. Los de energías extremas son otra historia, ya que resultan extremadamente raros. El profesor Mark Pearce, miembro del Comité Nobel, explicó el contexto científico del logro y le puso un número a esa escasez: aun con un detector de un kilómetro cúbico, se detecta alrededor de uno por día. Recordó que la partícula tiene una historia casi tan caprichosa como su comportamiento. Wolfgang Pauli la propuso en 1930 y, según se cuenta, exclamó: “He postulado algo horrible: una partícula que no puede ser detectada”. Veintiséis años después, Clyde Cowan y Frederick Reines pudieron confirmar su existencia en un reactor nuclear.

Para detectar neutrinos de origen astronómico hacía falta un detector gigante, cuenta Roulet. “Primero se intentó usar el agua en el fondo del mar y fue muy complicado –detalla–. Halzen se dio cuenta de que se podía hacer en el hielo del Polo Sur, que alcanza tres kilómetros de espesor. Hicieron perforaciones en forma de columnas, derritiendo el hielo con agua caliente, y enterraron sensores a unos dos mil metros de profundidad. Colocaron varias de estas líneas de sensores separadas por unos 30 a 100 metros entre sí, y de esa manera cubrieron un kilómetro cúbico de volumen. Eso terminó de construirse en 2011 y ya en 2013 pudieron anunciar que habían observado neutrinos de altísima energía, mucho mayores que las que se alcanzan en el acelerador más potente, el CERN, que está en Ginebra”.

“IceCube es un observatorio de partículas emplazado en la estación científica [norteamericana] Amundsen-Scott, en el continente blanco, muy cerca del Polo Sur –explica por su parte el físico argentino que enseña en la Universidad de Nueva York, Gastón Giribet–. Fue construido con el propósito de detectar neutrinos, esas ligeras y escurridizas partículas que son renuentes a interactuar con la materia y que, por lo tanto, difíciles de atrapar. Detectar neutrinos requiere de gran ingenio y de una sofisticada infraestructura, como la de IceCube. El observatorio contiene miles de detectores enterrados en el suelo antártico, alojados en pequeñas cavidades talladas en el hielo, dispersos en un volumen de un kilómetro cúbico de límpida agua congelada. Esos dispositivos, llamados módulos ópticos digitales, se componen de cámaras muy sensibles provistas de un fotomultiplicador y una pequeña computadora. Enterrados allí, monitorean el volumen de hielo esperando rastros del paso de una partícula extraña que dispare la señal. (…) Aunque constantemente llegan a la Tierra provenientes de todas las direcciones y de manera copiosa, su baja propensión a interactuar con la materia permite a los neutrinos atravesar el globo sin que lo notemos. Solo una pequeñísima cantidad de ellos termina por interactuar con algún átomo de nuestro planeta. (…) Eso pareció haber ocurrido el 22 de septiembre de 2017 (y en algunas otras pocas ocasiones desde que IceCube comenzó a funcionar, hace unos 15 años). Aquel anuncio fue especial porque, en esa ocasión, los detectores encendieron sus alarmas y pareció haberse identificado un blázar [núcleo activo de una galaxia con un agujero negro supermasivo en su centro, que emite un chorro de partículas apuntando directamente hacia la Tierra] como el sospechoso de esa emisión”.

Aunque hay lugares en el cosmos capaces de acelerar partículas a energías que ningún laboratorio terrestre se acerca a igualar, nadie sabía dónde quedaban. Los rayos cósmicos, que son núcleos atómicos, delatan el fenómeno, pero no sirven para rastrearlo porque, como tienen carga eléctrica, los campos magnéticos los desvían en el camino y cuando llegan a la Tierra no se les puede seguir la pista hasta su origen. “Los neutrinos no tienen ese problema –explica Roulet–. Vienen derechito, desde la fuente que los produce hasta nosotros. Por eso, permiten hacer astronomía”.

Una idea que casi queda en el papel

Halzen creció en Bélgica, se formó como físico de partículas y se trasladó a Wisconsin, donde aún sigue trabajando. “Es autor de uno de los libros clásicos con los que se aprende teoría de partículas, y después se dedicó, hace ya muchos años, a construir este observatorio”, cuenta Roulet.

Todo empezó en los años ochenta, cuando el científico belga se enteró de que investigadores soviéticos pensaban usar antenas de radio en la Antártida para captar señales de neutrinos. Eso lo llevó a imaginar otra cosa: sensores de luz metidos en el hielo, a la espera de los destellos que producen sus colisiones con otras partículas subatómicas. Con su colega John Learned, presentó la idea en 1988, en una conferencia realizada en Polonia. La historia pudo haber terminado allí, pero la propuesta despertó tanto interés que en pocos años atrajo a un grupo de investigadores de distintas instituciones decidido a hacerla realidad. Hoy, el IceCube nuclea a alrededor de 450 científicos de 14 países.

Con una especie de ducha gigante de agua caliente abrieron los conductos en más de un kilómetro, y después bajaron por allí cables con sensores. Halzen los describe como “una lamparita al revés, porque en vez de emitir luz, la captan y la convierten en señal eléctrica”. Sin embargo, es más fácil contarlo que llevarlo a la práctica.

Primero, probaron en Groenlandia. Los intentos iniciales decepcionaron porque la capa superior del hielo está llena de burbujas que dispersan la luz. Más abajo, a partir de los 1.400 metros, el hielo resultó ser mucho más puro y transparente de lo que nadie esperaba, y los destellos recorrían unos 300 metros antes de apagarse. La Nochebuena de 1993, contó el propio Halzen, la pasó con la computadora sobre las rodillas, esperando el mensaje que confirmara que el primer cable ya estaba instalado. Finalmente el dispositivo funcionó, pero no alcanzaba para “cazar” neutrinos de energías extremas. Hacía falta más volumen. IceCube alcanzó su tamaño completo en 2011, con 5.160 sensores repartidos en 86 cables.

Visitas cósmicas

Los resultados llegaron más rápido de lo esperado. En 2013, dos años después de completado el detector, el equipo presentó la primera evidencia de neutrinos de alta energía de origen cósmico, y un par de años más tarde ya tenían datos suficientes para estar seguros. IceCube registra diariamente más de cien millones de partículas provenientes de la atmósfera, de modo que encontrar entre ellas a los visitantes de otras galaxias exige mucha paciencia estadística.

Después llegó el capítulo más espectacular. “Luego de varios años, lograron identificar la fuente de la que venía un neutrino superenergético –cuenta Roulet–: una galaxia con un agujero negro enorme en su centro que producía un jet que nos apuntaba a nosotros; algo así como un faro que nos apunta”.

Más tarde, apareció otro tipo de galaxia activa, sin jet, pero con mucha agitación alrededor del agujero negro central. La Academia Sueca menciona a NGC 1068, también conocida como M77, de cuya dirección parecen venir 79 neutrinos, aunque aclara que la evidencia todavía no alcanza para dar por confirmada esa fuente. Los investigadores de IceCube también detectaron neutrinos de alta energía de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea.

 “Ahora, hay tres o cuatro fuentes bien establecidas. Se sabe que son galaxias con agujeros negros de mil millones de masas solares en el centro, regiones muy violentas”, destaca Roulet. Para el investigador, lo esencial es que “este experimento abrió una nueva ventana al universo, el de la astronomía con neutrinos”.

Halzen, que subrayó la enorme cantidad de desafíos que presentó el proyecto,  dijo que espera que el Nobel contribuya al reconocimiento “de esta gran colaboración, y en especial de algunas personas muy valientes y talentosas que hicieron críticas y contribuciones decisivas a lo largo del tiempo”.  Y agregó: “Cuando lo planteamos, pocos creyeron que funcionaría… incluido yo. Fue una aventura en la que el éxito no estaba garantizado, y pudimos superar los obstáculos, en parte por el talento de los colaboradores, y en parte por la suerte. Fue un largo camino, pero finalmente resultó”.

Habló también del mayor de los riesgos que asumieron: “Nadie sabía si un detector de un kilómetro era suficientemente grande para descubrir neutrinos más allá de nuestra atmósfera. Y solo nos llevó dos años”, comentó. Pero fue más cauto acerca de lo que queda por delante: todavía no se sabe a ciencia cierta cómo será esta nueva astronomía que imaginan.

El premiado tiene un vínculo especial con la ciencia argentina. Desde hace años visita el Observatorio Pierre Auger, en Malargüe, Mendoza, el más grande del mundo en su tipo, en el que participa Roulet entre muchos otros científicos locales  y que involucra a unos 17 países. “Es un muy buen amigo de la colaboración –cuenta el físico–. Está presente cuando se discuten desarrollos futuros y como un evaluador de muy alta jerarquía que nos ayuda bastante”. El Pierre Auger se diseñó para estudiar rayos cósmicos de alta energía, pero cuando la construcción estaba por terminar empezó a explorarse la posibilidad de cazar también neutrinos, observando señales que llegan casi rasantes al horizonte, explica. La búsqueda lleva unos veinte años y todavía no encontraron ninguno. Los límites que Auger pudo establecer a energías enormes fueron competitivos con los de IceCube, mientras que el detector del Polo vio neutrinos de energías algo menores, a las que Auger no llega. Ahora se trabaja para extender el rango y alcanzar ‘la cola de altas energías’ de lo que están viendo en el Polo Sur”, explica Roulet.

Si todo sigue bien, en un futuro no tan lejano habrá más detecciones de neutrinos. Hay observatorios en construcción en el Mediterráneo, en el lago Baikal, en el Mar de la China Meridional y frente a la costa oeste de Canadá, y IceCube sigue acumulando datos. El próximo paso es IceCube-Gen2, que ocuparía ocho kilómetros cúbicos de hielo. Roulet habla de una ampliación “por un factor 10”, y calcula que el salto sería enorme: “Desde que lo terminaron de construir, pudieron identificar tres o cuatro fuentes, mientras que si tuvieran algo 10 veces más grande, tal vez podrían ver un centenar”, detalla.

“Halzen dedicó su incansable esfuerzo a demostrar y convencer al mundo científico y a las agencias de financiación que los mecanismos de interacción de las partículas cuánticas (protones, neutrones, mesones pi, muones electrones, neutrinos, etc.) permitirían detectar eventos que confirmarían la presencia de neutrinos de muy altas energías portadores de la información del funcionamiento de las galaxias que llenan el universo”, afirma Carlos Alberto García Canal, investigador del Instituto de Física de La Plata, en un comunicado del Conicet.

Y concluye Roulet: “Los que trabajamos en el área de neutrinos y rayos cósmicos estamos muy felices con este premio. Creemos que es muy merecido. Halzen le dedicó toda su vida y logró hacer este detector que fue muy difícil, muy nuevo, muy original, algo que nunca nadie había hecho”.