IceCube: cómo un kilómetro cúbico de hielo antártico se convirtió en telescopio

Un kilómetro cúbico de hielo instrumentado

IceCube se encuentra en la estación Amundsen-Scott del Polo Sur, y su volumen de detección no se construye tanto como se reclama. El hielo ya estaba allí. Lo que la colaboración añadió, entre 2004 y 2010, fueron 86 cables verticales bajados por agujeros fundidos en el manto de hielo con una perforadora de agua caliente. Cada cable lleva 60 sensores del tamaño de un balón de baloncesto. Juntos convierten un kilómetro cúbico de hielo glaciar corriente en el mayor detector de partículas jamás construido.

La escala es consecuencia directa de la física. Los neutrinos interactúan tan raramente que la utilidad de un detector crece sin más con el número de átomos que contiene. Los detectores de laboratorio se miden en toneladas; la masa objetivo de IceCube ronda los mil millones de toneladas. Nadie podría comprar, purificar y contener tanto material. La idea que hay detrás de IceCube fue que, en el Polo Sur, alguien ya lo había hecho.

Las profundidades instrumentadas van de 1.450 a 2.450 metros bajo la superficie, y es deliberado. Las capas superiores del manto contienen burbujas de aire atrapadas que dispersan mucho la luz. Por debajo de unos 1.400 metros la presión ha forzado ese aire dentro de la propia estructura cristalina, y el hielo se vuelve extraordinariamente transparente: en distancias largas, más que casi cualquier agua de la Tierra.

Justo encima del detector profundo hay una red de superficie llamada IceTop: 81 estaciones con dos tanques de agua congelada cada una, repartidas por el mismo kilómetro cuadrado. IceTop registra las cascadas atmosféricas que producen los rayos cósmicos al golpear la atmósfera, lo que permite a IceCube identificar y restar un fondo que de otro modo ahogaría su señal astrofísica.

Por qué el hielo resultó ser el material adecuado

Un telescopio de neutrinos necesita un medio transparente, barato, enorme y silencioso. Transparente, para que la luz de una interacción llegue hasta un sensor. Barato, porque un kilómetro cúbico de cualquier otra cosa sería inasumible. Enorme, porque las interacciones son raras. Y silencioso, es decir, libre de radiactividad natural que produciría una niebla constante de señales falsas.

El hielo antártico profundo cumple las cuatro condiciones de forma poco habitual. Es químicamente puro, porque se formó a partir de nevadas y no de aguas subterráneas cargadas de minerales disueltos. Su longitud de absorción óptica en el azul supera con holgura los cien metros, de modo que un destello resulta visible para sensores lejanos. Y es estable: una vez congelado un cable, permanece exactamente donde se colocó, sin corrientes y sin mantenimiento.

El precio es que el hielo no es uniforme. Se formó capa a capa a lo largo de unos cien mil años, y el polvo de antiguas erupciones volcánicas y tormentas continentales quedó conservado en bandas. Esas capas de polvo dispersan la luz. Cartografiarlas con precisión, el llamado modelo de hielo, es una de las tareas de calibración centrales y continuas de la colaboración, porque reconstruir la dirección de un neutrino depende de saber exactamente cómo viajó la luz hasta cada sensor.

La alternativa principal usa agua profunda en lugar de hielo, como hacen los detectores ANTARES y KM3NeT en el Mediterráneo. El agua es menos transparente pero dispersa menos la luz, y ambos medios tienen virtudes complementarias. Los dos pertenecen a la familia más amplia de observatorios de neutrinos que emplean volúmenes naturales de materia como masa de detección.

Cómo ve IceCube un neutrino en realidad

IceCube nunca ve un neutrino. Ve sus restos. Cuando un neutrino sí interactúa con un núcleo del hielo, mediante la fuerza nuclear débil, la única fuerza además de la gravedad que sienten los neutrinos, produce partículas cargadas que viajan por el hielo más rápido de lo que la luz viaja por el hielo. Eso no viola la relatividad: nada supera a la luz en el vacío, pero la luz se frena en un medio, y una partícula cargada rápida puede exceder esa velocidad local.

Cuando lo hace, emite un cono de luz azul tenue llamado radiación de Cherenkov, el equivalente óptico de una explosión sónica. Esa es la señal. Cada uno de los 5.160 módulos ópticos digitales contiene un tubo fotomultiplicador capaz de registrar un solo fotón y datar su llegada con precisión de nanosegundos. A partir del patrón de qué sensores se encendieron, con qué intensidad y en qué orden, el software de reconstrucción calcula hacia atrás la dirección y la energía del neutrino.

Predominan dos formas de suceso. La interacción de un neutrino muónico produce un muón que puede recorrer kilómetros y deja una traza recta y larga de luz, excelente para reconstruir la dirección, a menudo con menos de un grado de error. Los neutrinos electrónicos y tauónicos depositan su energía de forma compacta y producen una cascada aproximadamente esférica. Las cascadas dan una medida de energía mucho mejor pero una dirección bastante peor. La distinción importa: la astronomía necesita dirección, la espectroscopía necesita energía, y IceCube obtiene cada una de un canal distinto.

Hay un truco más, y es contraintuitivo. La mejor vista del cielo norte que tiene IceCube es directamente hacia abajo, a través de la Tierra. El planeta entero sirve de filtro: absorbe el enorme fondo de muones producidos en la atmósfera, mientras que los neutrinos lo atraviesan casi sin obstáculo. Una traza ascendente en IceCube es, por tanto, casi con seguridad un neutrino auténtico, porque ninguna otra cosa podría haber cruzado la Tierra para llegar allí.

El instrumento en cifras

Las especificaciones siguientes describen el detector terminado tal como funciona desde 2010. Opera de forma continua, con una disponibilidad sostenida por encima del 99 por ciento, una cifra notable en un instrumento que no puede repararse, ya que cada sensor está congelado de forma permanente en el manto de hielo.

• Ubicación: estación Amundsen-Scott del Polo Sur, Antártida
• Volumen instrumentado: aproximadamente 1 kilómetro cúbico, unos mil millones de toneladas de hielo
• Sensores: 5.160 módulos ópticos digitales en 86 cables, más 324 módulos en la red de superficie IceTop
• Rango de profundidad: de 1.450 a 2.450 metros bajo la superficie
• Rango de energía: desde unos 10 GeV con el subconjunto DeepCore hasta más de 10 PeV
• Construcción: de 2004 al 18 de diciembre de 2010, con una perforadora de agua caliente que tardaba unas 48 horas por agujero
• Coste: unos 279 millones de dólares, financiados principalmente por la National Science Foundation de Estados Unidos
• Colaboración: unos 300 científicos en cerca de 58 instituciones de 14 países, dirigida por la Universidad de Wisconsin-Madison

Lo que IceCube ha encontrado

En 2013 la colaboración comunicó indicios de neutrinos de alta energía de origen extraterrestre, los primeros detectados desde fuera del sistema solar aparte del estallido de la supernova de 1987. Dos sucesos de aproximadamente un petaelectronvoltio cada uno, apodados informalmente Bert y Ernie, eran demasiado energéticos para haberse producido en la atmósfera terrestre. La astronomía de neutrinos empezó con ese artículo.

En septiembre de 2017 un único suceso de alta energía, IceCube-170922A, disparó un aviso automático a telescopios de todo el mundo. Estos encontraron en esa misma posición un blazar en fase de erupción, una galaxia cuyo agujero negro supermasivo apunta un chorro casi directamente hacia la Tierra, designado TXS 0506+056. Publicada en 2018, fue la primera identificación plausible de una fuente de neutrinos cósmicos de alta energía y un resultado fundacional de la astronomía multimensajero.

En 2021 IceCube comunicó un suceso de 6,3 PeV compatible con la resonancia de Glashow, un proceso predicho en 1960 en el que un antineutrino electrónico de exactamente esa energía interactúa de forma resonante con un electrón. Fue la primera observación de un fenómeno que llevaba sesenta años esperando un detector lo bastante grande.

En 2022 llegaron los indicios de emisión de neutrinos desde la galaxia activa NGC 1068 y, en 2023, la detección de neutrinos procedentes del plano de nuestra propia Vía Láctea: la primera imagen de nuestra galaxia hecha con partículas en lugar de con luz. Cada uno de estos resultados dependió de acumular una década de datos, porque a estas energías IceCube registra apenas un puñado de neutrinos astrofísicos al año.

Más allá de la astronomía: qué más mide IceCube

Un subconjunto denso llamado DeepCore, formado por ocho cables adicionales con sensores más juntos en la zona de hielo más transparente, rebaja el umbral de energía del detector hasta unos 10 GeV. Eso abre un programa de investigación completamente distinto. A esas energías IceCube puede medir la oscilación de neutrinos en neutrinos atmosféricos que han recorrido distancias distintas a través de la Tierra, lo que proporciona un acceso independiente a los parámetros de mezcla.

Los mismos datos permiten buscar neutrinos estériles, un hipotético cuarto tipo que no interactuaría ni siquiera débilmente y que solo podría delatarse por anomalías en el patrón de oscilación. IceCube ha establecido algunas de las restricciones más fuertes disponibles en partes de ese espacio de parámetros.

IceCube realiza además una búsqueda indirecta de materia oscura. Si partículas de materia oscura se acumularan en el núcleo del Sol o de la Tierra y se aniquilaran, producirían un exceso de neutrinos procedente de esas direcciones. No se ha encontrado tal exceso, lo que a su vez restringe las propiedades que puede tener la materia oscura.

Por último, IceCube funciona como vigilancia permanente de supernovas. Una supernova de colapso de núcleo en nuestra galaxia produciría un estallido de neutrinos de supernova de baja energía tan intenso que se manifestaría como un ascenso colectivo del ruido en los 5.160 sensores a la vez: demasiado poco energético para reconstruir sucesos individuales, pero inconfundible en conjunto. IceCube forma parte de la red internacional de alerta que daría a los astrónomos horas de aviso antes de que llegara la luz.

Lo que IceCube no demuestra

Conviene ser preciso con los límites, porque a IceCube se le cita a menudo en contextos que no sostiene. El observatorio demuestra que los neutrinos atraviesan la Tierra en cantidades enormes, que interactúan de vez en cuando con la materia y que algunos portan energías que ningún acelerador terrestre alcanza. Todo eso está sólidamente establecido.

Lo que no demuestra es que esa interacción pueda convertirse en potencia útil. La razón es justamente el hecho que hace necesario a IceCube: la tasa de interacción es extraordinariamente baja. Mil millones de toneladas de hielo, vigiladas sin interrupción durante una década, dan del orden de unos pocos centenares de sucesos de neutrinos astrofísicos en total. Un instrumento construido para capturar las interacciones más raras de la física es, por construcción, una prueba de lo raras que son.

Esta distinción importa para cómo debe describirse la investigación neutrinovoltaica. Allí la pregunta de investigación no es si pueden capturarse y convertirse neutrinos individuales de alta energía: IceCube muestra lo difícil que es. Es si el flujo persistente de radiación ambiental y fluctuaciones térmicas en la superficie de un material puede impulsar una corriente medible en una multicapa diseñada de grafeno y silicio. Son preguntas físicas distintas, y confundirlas no hace ningún favor a la versión honesta de esa investigación.

También es cierto lo contrario, y merece decirse: IceCube es la razón por la que el neutrino ya no es especulativo. Una partícula por cuya propuesta Wolfgang Pauli se disculpó en 1930, porque creía que nunca podría detectarse, es hoy objeto de un observatorio que cartografía el cielo con ella. Esa es la parte de la historia que vale la pena llevarse.

IceCube-Gen2 y la próxima década

La colaboración ha propuesto IceCube-Gen2, una ampliación que instrumentaría unos ocho kilómetros cúbicos, alrededor de ocho veces el volumen actual, con cables más separados y optimizados para las energías más altas, además de una red de radio en superficie para captar los sucesos más raros y energéticos mediante una firma física completamente distinta.

El argumento científico es estadístico. Los grandes resultados de IceCube no están limitados por la precisión sino por el recuento: un puñado de sucesos al año dificulta distinguir una fuente candidata de otra. Un orden de magnitud más de sucesos convertiría asociaciones tentativas en un catálogo y permitiría a la astronomía de neutrinos hacer lo que la astronomía óptica hace de forma rutinaria: comparar poblaciones en lugar de discutir sobre objetos concretos.

También se ha propuesto un subconjunto de baja energía más denso para afinar las medidas de oscilación. Entre ambos, IceCube abarcaría desde aproximadamente un gigaelectronvoltio hasta más de un exaelectronvoltio, un rango dinámico mayor que el de cualquier otro instrumento individual de la física de partículas.

Para quien siga el campo en su conjunto, IceCube se entiende mejor junto a los demás grandes detectores que por separado. Cada uno se diseñó en torno a una pregunta, un rango de energía y un medio distintos, y el mapa de fuentes de neutrinos del que hoy disponemos es la obra conjunta de todos ellos.