Hace más de 2.500 años, los filósofos griegos debatieron si la naturaleza de la realidad era la impermanencia o el cambio constante. Heráclito fue el campeón del cambio, señalando el paso de las estaciones y el flujo y reflujo de las mareas. Por el contrario, Parménides, casi contemporáneo de Heráclito, afirmó que el cambio era ilusorio y la constancia era la regla.
La física moderna ha encontrado ejemplos subatómicos que respaldan ambas formas de pensar. Por ejemplo, los electrones que se encuentran en sus átomos no han cambiado desde que comenzó el Universo, lo que respalda la conjetura de la constancia. Sin embargo, en un claro ejemplo de cambio constante, otra forma de partículas subatómicas llamadas neutrinos están en flujo continuo, cambiando literalmente su identidad una y otra vez. Si bien este comportamiento de los neutrinos se ha demostrado en laboratorios terrestres, una medición reciente muestra que este comportamiento también ocurre en el espacio profundo.
Fantasmas cuánticos
A los neutrinos a menudo se les llama los fantasmas del mundo cuántico. Interactúan muy débilmente con la materia, lo que les permite atravesar nuestro planeta con sólo una pequeña probabilidad de interactuar. Hay tres tipos de neutrinos: los de tipo electrón, los de tipo muón y los de tipo tau. Los neutrinos electrónicos se crean predominantemente en reactores nucleares, mientras que los neutrinos muónicos se crean en la atmósfera terrestre cuando protones altamente energéticos provenientes del espacio chocan contra el aire sobre nosotros. Los neutrinos tau se crean directamente sólo en aceleradores de partículas gigantes.
Sin embargo, en un guiño a Parménides, los neutrinos son únicos en el mundo cuántico porque pueden cambiar su identidad, convirtiéndose de un tipo a otro. Este intercambio de identidad se llama “oscilación de neutrinos” y permite que los neutrinos electrónicos o muónicos se conviertan en neutrinos tau, y viceversa. La creación de neutrinos tau se observó por primera vez en el laboratorio del Acelerador Nacional Fermi en el año 2000, ubicado en las afueras de Chicago.
Debido a que los neutrinos tienen una masa muy baja en comparación con otras partículas subatómicas, viajan casi a la velocidad de la luz. Entonces, en el tiempo que tardan los neutrinos en oscilar, pueden viajar distancias considerables desde donde fueron creados. Aunque la transformación de neutrinos electrónicos y muónicos en neutrinos tau se ha observado en detectores que utilizan aceleradores de partículas, los neutrinos tau creados a medida que viajaban a distancias cósmicas no se habían observado antes del reciente logro.
Detectando la transformación de neutrinos
El detector IceCube utiliza un kilómetro cúbico de hielo cerca del polo sur de la Tierra para estudiar neutrinos. La instalación de la instalación comenzó en 2005 y se completó en 2010 y ha estado en funcionamiento continuo desde entonces. El enorme tamaño del detector es necesario porque los neutrinos interactúan muy débilmente. A pesar de que alrededor de 100 billones de neutrinos pasan a través de usted cada segundo, en toda su vida quizás solo un neutrino interactúe en su cuerpo. Por tanto, es necesario un detector grande para detectar un número significativo de interacciones de neutrinos.
-El detector IceCube ha tenido un número significativo de éxitos. En 2013, los investigadores de IceCube detectaron neutrinos originados fuera del Sistema Solar, y en 2019 se detectaron neutrinos tau en el aparato. Estos neutrinos tau habían oscilado a partir de neutrinos electrónicos y muónicos creados en la atmósfera terrestre a partir de rayos cósmicos. Y, en 2018, los científicos de IceCube identificaron un neutrino de alta energía que se originó en un agujero negro supermasivo ubicado a unos seis mil millones de años luz de la Tierra. Esta fue la primera vez que un neutrino generado en el espacio profundo pudo apuntarse con precisión a su fuente.
En la medición más reciente, los investigadores de IceCube pudieron detectar y aislar siete neutrinos tau, todos los cuales tenían una energía muy alta, desde 20 billones de electronvoltios de energía hasta un billón de electronvoltios. (Para dar una idea de la escala, el acelerador de partículas de mayor energía de la Tierra puede acelerar protones hasta una energía de 6,5 billones de electronvoltios).
Dada la altísima energía de los neutrinos tau observados, es muy probable que estos neutrinos se hayan creado a distancias cósmicas en eventos violentos, como la colisión de estrellas de neutrones o en el disco de acreción que rodea los agujeros negros. Los neutrinos probablemente comenzaron su viaje como neutrinos electrónicos o muónicos y oscilaron hasta convertirse en neutrinos tau poco antes de chocar con la atmósfera terrestre.
Los neutrinos tau son extremadamente difíciles de aislar, ya que la firma que dejan en un detector es a menudo casi indistinguible de la señal dejada por los neutrinos electrónicos y muónicos. Para identificar los neutrinos tau, los científicos utilizaron una forma de aprendizaje automático llamada redes neuronales convolucionales (CNN), que utilizan información tridimensional para identificar objetos.
Grandes detectores como IceCube brindan a los científicos la capacidad de estudiar fuentes de neutrinos tanto interestelares como extragalácticas. La colaboración IceCube ha propuesto una ampliación de su detector, lo que aumentaría el volumen del detector de un solo kilómetro cúbico a diez kilómetros cúbicos. Y, en 2019, la Fundación Nacional de Ciencias aprobó una actualización más modesta, que permitirá a los científicos de IceCube estudiar neutrinos de menor energía.
Esta observación de neutrinos tau proporciona otra poderosa afirmación de las capacidades del detector IceCube y sienta las bases para futuras investigaciones.
