Laboratori de l'IceCube Upgrade project, al Pol Sud. Ilya Bodo, IceCube/NSF
Manel Perucho Pla, Universitat de València
En el si dels àtoms hi ha els nuclis, i sempre ens han explicat que estan formats per neutrons i protons. El que potser no ens han dit tant és que els neutrons poden ser inestables tant quan es troben lliures com en nuclis radioactius. La seua inestabilitat desencadena el que s'anomena desintegració beta. Aquest procés era conegut com un dels tres processos resultants de la radioactivitat gràcies als treballs de Antoine Henri Becquerel, els Curie o Ernest Rutherford en el trànsit entre el segle XIX i el XX, tot i que no se'n sabia l'origen.
Els canvis produïts en els àtoms van conduir a la conclusió que hi havia un canvi del nombre atòmic del nucli i, per tant, un canvi d'element. Més tard es va saber que, efectivament, es tractava d'un neutró que desapareixia i es generaven un protó i un electró (procés). Tanmateix, hi havia un problema: no estava clar que es conservara l'energia en el procés. Wolfgang Pauli va proposar el 1930 l'existència d'una partícula lleugera, que va ser anomenada neutrí, per a resoldre aquest problema.
Els neutrins: detectius de raigs còsmics
Els neutrins resolien el problema des d'una perspectiva teòrica, però en generaven un altre: la seua detecció. Parlem de partícules gairebé indetectables. Segons les estimacions teòriques, una d'aquestes partícules podria viatjar un any-llum a través de l'aigua sense interaccionar. Vet ací la dificultat… N'hi ha dues opcions evidents per a incrementar la probabilitat d'interaccions: augmentar-ne la producció artificialment de manera exagerada o usar detectors enormes. Per aconseguir la primera detecció, l'any 1956, Clyde L. Cowan i Frederick Reines van usar un reactor nuclear per a produir una quantitat enorme de neutrins.
Aquesta història de descobriment es va trobar amb una altra, la dels raigs còsmics. Detectats també des de començaments de segle, s'havia demostrat que necessàriament havien d'arribar des de més enllà del nostre planeta. Fins i tot Frank Capra va dedicar un documental (The Strange Case of Cosmic Rays) al misteri sobre el seu origen l'any 1957.
Sabem que són partícules amb energies enormes, molt superiors a l'energia equivalent a la seua massa en repòs, que guanyen energia en processos molt energètics a l'Univers, i que n'escapen a velocitats properes a la de la llum, fins a arribar a la nostra atmosfera i als nostres detectors de partícules.
Un altre problema que dificulta conèixer l'origen dels raigs còsmics és que en ser majoritàriament partícules carregades, poden ser desviats de les seues trajectòries pel camp magnètic de la galàxia o del Sol. Llavors, quan arriben, no podem saber de quina direcció venien realment.
I ací és on els neutrins han jugat un paper important, perquè poden ser produïts en aquells escenaris tan energètics a conseqüència d'interaccions entre protons, o entre protons i fotons. A més, són neutres i, per tant, insensibles al camp magnètic. Llavors, si detectem neutrins, podem conèixer l'origen dels raigs còsmics!
Ara bé, al contrari que en l'experiment Cowan-Reines, no podem controlar la producció dels neutrins astrofísics. Arriben els que arriben. I en són pocs, sobretot a les energies més altes. Per tant, l'única solució era usar detectors enormes.
D'aigua en mines a l'Antàrtida
La primera opció va ser la d'omplir d'aigua grans buits en la roca, fent ús de mines abandonades, com en el cas de KamiokaNDE (Japó), que va detectar els primers neutrins provinents de les reaccions nuclears en el si del Sol, i també d'una supernova que va esclatar en el Gran Núvol de Magalhães (SN1987A). Els detectors que s'ubiquen a l'aigua són fotomultiplicadors que permeten observar llum produïda després de la interacció d'un neutrí amb la matèria.
Aquest mètode s'ha seguit posteriorment amb la ubicació en la mar de fotodetectors enganxats amb cables per a estabilitzar-los. Aquest és el cas d’ANTARES i de la seua versió ampliada, KM3NeT, tots dos a la Mediterrània.
El premi Nobel d'enguany ha estat per a Francis Halzen, de la Universitat de Wisconsin-Madison, per una idea diferent: ubicar un detector al gel de l'Antàrtida. I per què això pot ser millor? Perquè al gel de l'Antàrtida t'estalvies diferents fonts de “soroll” que afecten les mesures i els estudis estadístics.
Missatgers astronòmics
Aquesta idea va nàixer el 1988, i el resultat va ser l’IceCube Neutrino Detector, un quilòmetre cúbic de gel farcit de tubs per a detectar la llum resultant de les col·lisions de neutrins provinents dels indrets més violents de l'Univers. Poc després de ser acabada la seua instal·lació, van arribar les primeres deteccions de neutrins que venen, molt probablement, del si de dolls de plasma als nuclis actius de galàxies.
És la idea de Halzen i aquestes primeres deteccions de neutrins extragalàctics el que li ha acabat concedint el Premi Nobel de Física d'enguany. Gràcies a això, de fet, hem passat de l'Astronomia multi-longitud d'ona (per referir-nos a l'espectre electromagnètic), a l'Astronomia multi-missatger, perquè s'ha afegit la informació que ens aporten els neutrins (i també les ones gravitatòries).
Com sabem, al nucli de les galàxies hi ha forats negres amb masses enormes (entre milions i milers de milions de masses del Sol). Alguns són alimentats per gas provinent de col·lisions amb altres galàxies. Com a resultat, es desferma una producció energètica tan gran que aquesta regió central amb pocs anys-llum de diàmetre pot ser molt més brillant que tota la galàxia, amb una grandària d'un centenar de milers d'anys-llum. La caiguda de matèria sobre un forat negre és el procés de producció energètica més eficient que coneixem (per sobre de la fusió nuclear als nuclis dels estels). Parlem, per exemple, de l'energia que es genera als quàsars.
Neutrins extraterrestres amb informació sobre el nostre origen
Com a resultat, s'ejecten uns dolls (jets) de plasma a velocitats properes a la de la llum, que arrosseguen una quantitat d'energia enorme i són injectats durant milions d'anys. Des de la seua formació en l'entorn del forat negre poden travessar tota la galàxia i fins i tot arribar més enllà, modificant l'evolució posterior de tota la regió afectada pel seu pas. En algun dels processos que es donen en aquestes bestials erupcions, i que encara ens és desconegut, es formen probablement els neutrins que detecten IceCube o KM3NeT.
Manel Perucho Pla, Astrofísica relativista i d'altes energies, Universitat de València
Aquest article va ser publicat originalment a The Conversation. Llegiu l’ original.