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El IFIC participa en el primer estudio conjunto para detectar neutrinos asociados a ondas gravitacionales

Grupo de investigación

Tras el anuncio de la detección de la primera onda gravitacional por las colaboraciones LIGO y VIRGO el 11 de febrero, los científicos se proponen ahora buscar neutrinos procedentes de la colisión que provocó esta onda gravitacional en septiembre de 2015. Para determinar con exactitud el lugar donde se produjo el evento, Ligo colaborará con los telescopios de neutrinos IceCube y Antares, proyecto internacional, este último, cuya participación española está liderada por el IFIC.

La detección de ondas gravitacionales es el acontecimiento científico del año. Este hito fue realizado por el experimento LIGO, que el 14 de septiembre de 2015 registró una onda gravitacional producida por la colisión de dos agujeros negros a 1.300 millones de años luz. Sin embargo, para determinar exactamente el punto del cosmos donde se produjo esta colisión, LIGO necesita más información. La vía tradicional es mediante la red de telescopios ópticos que colabora con LIGO. Pero también se puede estudiar el cielo utilizando no luz, sino neutrinos. Es lo que hacen los telescopios IceCube (en la Antártida) y ANTARES (en el Mediterráneo), que ahora publican los primeros resultados de la búsqueda conjunta de neutrinos procedentes del choque cuya onda gravitacional detectó LIGO. En ANTARES tiene una importante participación el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV).

La ventaja de observar el universo con neutrinos es que esta partícula elemental, que apenas tiene masa y no tiene carga eléctrica, viaja directamente hasta nosotros desde que se produce sin apenas interactuar con el resto de materia. Contiene pues información de primera mano del suceso que la ha originado, al igual que las ondas gravitacionales que ahora LIGO ha demostrado que se pueden detectar. Se trata de dos nuevas maneras de estudiar el cosmos, que complementan las observaciones astronómicas basadas en la luz.

IceCube y ANTARES son pioneros en la observación del cosmos mediante neutrinos, conocidos como la ‘partícula fantasma’ por su dificultad para detectarlos. Ambos utilizan grandes cantidades de materia (el hielo del Polo Sur o el agua del Mediterráneo) confiando en que uno de estos neutrinos llegará a interactuar. Cuando esto ocurre se produce una luz Cherenkov que pueden detectar los sensores. IceCube lo consiguió en 2013, detectando neutrinos cuyo origen estaba más allá de nuestro Sistema Solar y cuyas energías superaban en mucho a las producidas en aceleradores de partículas como el LHC. Las fuentes de estos neutrinos son sucesos violentos del Universo como supernovas o colisiones de agujeros negros.

Tras el anuncio de la detección de la primera onda gravitacional por las colaboraciones LIGO y VIRGO el 11 de febrero, se publica un estudio conjunto con IceCube y ANTARES para buscar neutrinos procedentes de la colisión que provocó esta onda gravitacional. El suceso, denominado GW150914, se produjo a más de 1.300 millones de años luz, cuando dos agujeros negros con una masa 30 veces mayor que la del Sol chocaron convirtiendo una parte de esa masa en un ‘pliegue’ del espacio-tiempo como predecía la teoría de la relatividad general de Einstein, y que se conoce como ‘onda gravitacional’.

Sin embargo, LIGO (dos detectores situados a más de 2.000 kilómetros de distancia entre sí en los Estados Unidos, capaces de detectar estos minúsculos cambios del orden de una diezmilésima parte del diámetro de un protón), no puede determinar con exactitud el lugar donde se produjo este evento, por lo que necesita una red de colaboradores, tanto telescopios ópticos como los dos telescopios de neutrinos citados. Cuando LIGO alerta de esta detección, los telescopios apuntan a la región del cielo señalada para detectar otros restos de la colisión. 

IceCube y ANTARES no tienen que ‘apuntar’ sus telescopios, puesto que observan todo el cielo continuamente. Lo que intentan es buscar neutrinos simultáneos a la onda gravitacional del evento GW150914. El análisis de LIGO sólo puede acotar el origen de esta onda en unos 600 grados cuadrados (el cielo tiene unos 40.000 grados cuadrados), mientras que la precisión de ANTARES o IceCube es de un grado cuadrado. Sin embargo, como publican las tres colaboraciones, no se detectó un número de sucesos por encima de lo esperado.

Para Juan de Dios Zornoza, miembro las colaboraciones ANTARES y KM3NeT, "los telescopios de neutrinos y los detectores de ondas gravitacionales comparten el estatus de 'recién llegados' en el descubrimiento de señales cósmicas más allá de los tradicionales fotones y rayos cósmicos. Además, como se describe en el artículo publicado por LIGO/Virgo, ANTARES y IceCube, estas nuevas ventanas no solamente complementan a los mensajeros clásicos, sino que se complementan entre ellas. Los telescopios de neutrinos observan todo el cielo continuamente y con buena resolución angular, lo que puede ayudar a localizar el origen de este evento y entender mejor el fenómeno. Aunque no se haya observado esta correlación en este caso, esto es sólo el principio y esperamos nuevas ondas gravitacionales para estudiar”.

Tanto en ANTARES como en el que es su sucesor, KM3NeT, el Instituto de Física Corpuscular lidera la participación española. El grupo de investigación ANTARES-KM3NeT del IFIC ha diseñado elementos cruciales en la electrónica de los módulos con los sensores ópticos (desplegados en líneas sumergidas a más de 3.000 metros) y en el sistema de calibración temporal (que reconstruye la trayectoria de los neutrinos). Los físicos del IFIC trabajan también en la identificación de las fuentes de neutrinos y en su utilización como búsqueda indirecta de materia oscura, que forma una cuarta parte del universo pero aún no ha sido detectada. 

Más información:
http://antares.in2p3.fr/News/index.html
https://icecube.wisc.edu/news/view/398

“High-energy Neutrino follow-up search of Gravitational Wave Event GW150914 with ANTARES and IceCube”
https://dcc.ligo.org/public/0123/P1500271/013/GW150914_neutrino.pdf

Fecha de actualización: 19 de febrero de 2016 12:00.

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