Mirando el cielo desde debajo del agua
20 de noviembre de 2017
Building, un experimento en el fondo del mar para detectar neutrinos del espacio exterior podría parecer algo extraño de hacer, pero los investigadores han estado perfeccionando el emparejamiento inusual durante medio siglo. Antoine Kouchner y Véronique Van Elewyck explican por qué y cómo los investigadores utilizan el océano como un detector de neutrinos gigantes
Cascadas cósmicas
En las profundidades del mar Mediterráneo, lejos del brillante cielo azul claro, se esconde un tesoro escondido. No es un naufragio o el tesoro de un pirata, un artefacto perdido o una escultura tallada en agua. De hecho, a primera vista, simplemente se ve como unas burbujas muy organizadas y extrañamente estacionarias. Pero estos no son solo bolsas de aire atrapadas. Son esferas de vidrio conectadas por líneas de cables, enraizadas en el fondo del mar. Oscilando ligeramente con las corrientes, esta extraña formación es completamente ajena al hermoso océano.
En lugar de ser una instalación de arte vista solo por criaturas marinas y submarinos, la escultura inesperada es un detector de neutrinos, conocido como ANTARES (Astronomía con un Telescopio de Neutrinos y RESUMEN del entorno Abyss). Pequeños y sin carga, los neutrinos pueden producirse artificialmente en reactores nucleares o crearse cuando los rayos cósmicos (protones o núcleos más pesados) golpean la atmósfera. Pero los físicos de ANTARES están más interesados en los neutrinos de otros lugares, como las galaxias remotas. En ese caso, se producen cuando los rayos cósmicos se aceleran y colisionan con el medio ambiente denso.
A diferencia de las partículas cargadas, los neutrinos no son desviados por los campos magnéticos que impregnan el universo; Además, interactúan tan débilmente con la materia que pueden viajar grandes distancias a través del espacio sin ser absorbidas o dispersas. Detectar tales neutrinos y volver sobre sus caminos permite, por lo tanto, identificar las fuentes cósmicas. Sin embargo, estas partículas subatómicas son incluso más difíciles de detectar que las que se producen en la Tierra porque son muy pocas.
Las únicas fuentes identificadas de neutrinos cósmicos son el Sol y la supernova SN1987A. Ambos fueron confirmados en la década de 1980 utilizando, entre otros, el detector Kamiokande de Japón, que contenía 3000 toneladas de agua ultrapura en un laboratorio a 1000 m bajo tierra. Pero los astrofísicos anticipan mucho más del cielo de neutrinos, especialmente a energías superiores a 10 12 eV (TeV), razón por la cual han recurrido a los océanos. A diferencia de los detectores como Kamiokande, o su sucesor aún más grande, Super-Kamiokande, utilizar el océano significa que no hay necesidad de cavar grandes complejos subterráneos y no hay límite de cuán grandes pueden ser los detectores.
Destinado para las profundidades
Fotografía de una sola línea de ANTARES antes del despliegue
Una belleza de las aguas oceánicas es que sirven como un escudo natural contra el fondo de partículas cargadas (principalmente muones) creadas a partir de rayos cósmicos que interactúan en la atmósfera. Para reducir aún más esta contaminación, los telescopios de neutrinos también concentran sus observaciones en los neutrinos ascendentes que han pasado a través de la Tierra. Estos telescopios, en otras palabras, observan el cielo en el otro lado de la Tierra, usando el planeta como un "filtro" de partículas gigantes que deja pasar solo a los neutrinos.
Pero el principal atractivo del océano para los físicos es el agua misma, que transforma el mar en un telescopio gigante. En particular, detecta la "luz Cherenkov" producida por partículas cargadas que se crean cuando un neutrino interactúa con el núcleo de un átomo. Moviéndose más rápido que la velocidad de la luz en el agua, estas partículas crean un cono de luz azul en un ángulo bien definido con respecto a la dirección de viaje de la partícula (figura 1), un proceso similar a la creación de ondas de choque sonoras. En un entorno oscuro y transparente, esta luz de Cherenkov puede detectarse mediante fotomultiplicadores y luego utilizarse para reconstruir la energía y la dirección de entrada del neutrino padre. Mientras que tanto Kamiokande como Super-Kamiokande confían en este principio, sus tanques de agua no son lo suficientemente grandes como para detectar el flujo extremadamente débil de los neutrinos cósmicos. El océano, sin embargo,
Esquema de ANTARES y un muón que produce luz Cherenkov
1 luz azul
Mirando a través de la tierra
La idea descabellada de colocar un detector de neutrinos en el fondo del mar fue propuesta por primera vez en 1960 por el físico soviético Moisey Markov, pero no fue sino hasta la década de 1970 cuando Estados Unidos comenzó a trabajar en el primer telescopio de neutrinos submarinos frente a la costa de Hawai. - el Detector de muones y neutrinos submarinos profundos (DUMAND). Como estaba en el hemisferio norte, el detector fue diseñado para encontrar neutrinos del cielo del sur, en el lado opuesto del planeta. En esa dirección se encuentra la región interior de nuestra galaxia, que se sabe que alberga un agujero negro supermasivo y una plétora de otros sitios de aceleración de partículas que podrían estar produciendo neutrinos cósmicos.
La instalación planificada de DUMAND y los detectores de aguas profundas instalados desde entonces incluyen una serie de cables verticales, de varios cientos de metros de altura. También conocidos como "líneas", debían anclarse al fondo del mar a una profundidad de 4800 my mantenerse verticalmente mediante boyas sumergidas. Estas líneas soportarían cúmulos de fotomultiplicadores protegidos de la presión del océano en esferas de vidrio de un centímetro de espesor de aproximadamente medio metro de diámetro. Esta matriz debía conectarse a la costa a través de un cable electroóptico largo, alimentando el detector y proporcionando soporte de fibra óptica para la transmisión de datos.
Pero los desafíos tecnológicos fueron enormes y DUMAND nunca se completó. Trabajar bajo el agua significa lidiar con la alta presión, la corrosión y los conectores con fugas - y no puede simplemente sumergirse para hacer reparaciones. Desde 1982 hasta 1987, se requirieron algunos 14 operaciones de I + D en el mar antes de la primera línea prototipo autónoma logró detectar trayectorias de muones atmosféricos, validando el principio de detección basado en Cherenkov y la activación de la instalación del cable principal. En diciembre de 1993, se conectó la primera línea, pero se produjo una fuga de un recipiente a presión unas horas más tarde, lo que finalmente generó un cortocircuito y provocó la pérdida de la comunicación con el aparato instalado.
Fotografía de secciones de una línea de ANTARES bajadas al mar
Ese mismo año también vieron a los científicos comenzar a instalar un telescopio en el lago Baikal, Siberia, el lago más profundo del mundo y el mayor cuerpo de agua dulce, alcanzando profundidades de unos 1600 m. El lago se cubre en invierno con una gruesa capa de hielo, lo que facilita la instalación del detector porque puede soportar el peso de instrumentos pesados sin agrietarse, y se desplegó rápidamente un detector de ocho líneas con 192 fotomultiplicadores. Sin embargo, el agua del lago, a pesar de estar entre las más puras del mundo, no era ideal para detectar neutrinos porque absorbe la luz más que el hielo o el agua de mar. Por lo tanto, las líneas de detección tuvieron que colocarse relativamente cerca unas de otras, restringiendo el volumen de detección a un modesto ~ 5 Mt (equivalente a 0.005 km 3 ).
De regreso en los Estados Unidos, el proyecto DUMAND fue detenido en 1995 debido a la falta de fondos, y las actividades fueron redirigidas a la instalación de un detector similar en el hielo antártico: el Antártico Muon y Neutrino Detector Array (AMANDA). Al igual que con el lago Baikal en invierno, el hielo sólido hizo la vida más fácil al permitir a los investigadores perforar agujeros en el hielo con agua caliente, sin necesidad de un barco. La construcción simplificada compensó parcialmente las pérdidas de rendimiento causadas por la óptica menos favorable del hielo en comparación con el agua de mar y el hecho de que el detector estaba en el hemisferio sur, por lo que no tenía el centro de la Vía Láctea en su campo de visión.
Fotografía de las esferas fotomultiplicadoras de KM3NeT en el laboratorio
AMANDA dejó de operar en 2004 y se actualizó al famoso IceCube Neutrino Observatory. En 2013, este detector de 1 km 3 identificó neutrinos cósmicos de las profundidades del espacio, por lo que ganó el Premio Física del Año de Física Mundial en 2013. Pero el origen de la señal cósmica de IceCube sigue siendo desconocido. Los investigadores no han podido identificar las fuentes porque tienen estadísticas limitadas y poder de reconstrucción direccional. Esta última limitación se debe en parte a la importante difusión de la luz en el hielo, que degrada la resolución angular de IceCube, un parámetro crucial para la astronomía.
El atractivo del Mediterráneo
Así que volvemos a climas más cálidos y ANTARES. Después del fracaso de DUMAND, Europa había asumido la antorcha de los telescopios de neutrinos submarinos, concentrándose en el mar Mediterráneo porque se encuentra en el hemisferio norte y ofrece sitios de alta mar relativamente cerca de las instalaciones en tierra. Después de varios estudios de sitios y desarrollos de prototipos en Grecia, Italia y Francia, el proyecto ANTARES comenzó en 1996 frente a las costas de Toulon, Francia.
Pero el éxito no fue inmediato, con docenas de pruebas autónomas que deben llevarse a cabo para comprender las condiciones ambientales. Los investigadores necesitaban saber todo, desde cómo las corrientes marinas doblan las líneas de detección y cómo la salinidad afecta la velocidad del sonido en el agua (vital para la calibración), cómo la bioluminiscencia afectaría a los fotomultiplicadores y si la bioincrustación podría ensuciar los módulos de detección. Algunos físicos valientes incluso ocasionalmente tuvieron el privilegio de bucear a profundidades de casi 2.500 metros a bordo del Nautile , un submarino tripulado del instituto de investigación francés Ifremer que también sirvió para la exploración del naufragio del Titanic.. Entre sus misiones, estos investigadores tuvieron que conectar electro-ópticamente el cable principal y realizar inspecciones visuales del área. Sus aventuras incluso llevaron a algunas sorpresas, como el descubrimiento de un viejo cañón encontrado cerca del detector.
La primera línea de detección se instaló en 2006 y ANTARES se completó en 2008 con 12 líneas de detección, cada una con 75 esferas fotomultiplicadoras a lo largo de sus 450 my ancladas a una profundidad de 2500 m. ANTARES ha observado hasta ahora más de 10,000 eventos de neutrinos con energías que van desde 100 GeV a varios cientos de TeV. Estos eventos detectados son compatibles con los neutrinos predichos creados por la interacción de los rayos cósmicos en la atmósfera, pero presumiblemente ocultan un puñado de neutrinos cósmicos.
Fotografía de un marco de línea KM3NeT desplegándose en el océano
ANTARES, con su potencia de puntería inigualable y buena cobertura de la región central de nuestra galaxia, proporciona resultados importantes e información complementaria a IceCube. También es parte de un ambicioso programa "multimessenger" que busca correlacionar los eventos de neutrinos con otras sondas cósmicas, incluidos los fotones (desde la radio hasta los rayos gamma) e incluso las ondas gravitacionales detectadas recientemente. A pesar de estos esfuerzos, y la presencia de un ligero exceso de eventos en los datos de ANTARES que podrían corresponder a una señal cósmica, no se han realizado intentos para identificar una fuente de neutrinos hasta el momento. La confirmación solo puede venir de un detector aún más grande: el Telescopio de Neutrinos Kilómetro Cúbico ( KM3NeT ), que será el sucesor de ANTARES.
La próxima generación: KM3NeT
La construcción de KM3NeT comenzó en 2015, con 240 científicos en 15 países diferentes embarcándose en la última aventura en aguas profundas. Y será masivo. Al finalizar a principios de la década de 2020, tendrá 345 líneas de detección distribuidas en dos sitios en el Mar Mediterráneo: una cerca de Toulon, cerca de ANTARES, y una segunda de la costa de Capo Passero en Sicilia, Italia, creando un telescopio con una detección volumen de más de 1 km 3 . Sujeto a financiamiento futuro, también puede haber un tercer sitio frente a la costa de Pylos, Grecia.
Mientras que la detección de neutrinos en KM3NeT seguirá dependiendo del principio Cherenkov, el nuevo proyecto presenta importantes mejoras tecnológicas basadas en la experiencia de una década de ANTARES y los otros prototipos. En particular, se alojarán 31 fotomultiplicadores pequeños, en lugar de uno único y más grande, en cada esfera de vidrio, que ofrecen varias ventajas en términos de eficacia de detección de fotones, recuento de fotones y direccionalidad, todos los cuales son ingredientes cruciales para la reconstrucción del entrante. energía de neutrinos y dirección de llegada.
El procedimiento de despliegue también se ha rediseñado: la línea de detección completa se enrolla en un marco esférico y se conecta a un anclaje de línea, que a su vez está equipado con un receptor acústico. Los investigadores pueden monitorear acústicamente el descenso de la unidad de detección desde un recipiente de superficie, permitiendo que las líneas se coloquen dentro de 1 m. Y ya no hay necesidad de buzos valientes, ya que el ancla está conectada a la red del lecho marino mediante un vehículo submarino operado remotamente desde el bote. Una vez que la conexión se verifica en tierra, una señal acústica activa el despliegue de la unidad. Los marcos de línea compactos también significan que se pueden implementar varias líneas durante un solo crucero, ahorrando tiempo y dinero.
Aunque ambos sitios de detección se basarán en la misma tecnología, los dos buscarán objetivos de física diferentes. En Toulon, se hará hincapié en el estudio de las propiedades de los neutrinos atmosféricos en el rango de energía GeV, con un denso detector llamado Oscillation Research with Cosmics in the Abyss (ORCA). En Sicilia, un detector más grande y más escaso llamado Astrofísica de Investigación con Cosméticos en el Abismo (ARCA) se centrará en el estudio de fuentes astrofísicas con energías que van desde TeV a PeV. En cada sitio, se han instalado las primeras líneas de las matrices y se han observado los primeros eventos de fondo.
Los físicos que trabajan en la construcción de KM3NeT están ansiosos por compartir sus datos y brindar nuevas oportunidades para las ciencias de la tierra y del mar a través de su infraestructura cableada. Desde la oceanografía hasta la geofísica y desde la biología marina hasta la climatología, aún no se ha explorado el potencial científico de los observatorios de neutrinos de aguas profundas. Como socio del Observatorio europeo multidisciplinario del fondo marino y la columna de agua, KM3NeT ayudará a los científicos a comprender la interacción compleja entre la geosfera, la biosfera y la hidrosfera, mientras continúa la búsqueda de neutrinos cósmicos (véase el recuadro a continuación). Entonces, en 2020, habrá muchas más burbujas de vidrio ordenadas que confundirán a los peces mientras exploran las profundidades para mirar a lo lejos.
Caja: un observatorio multidisciplinar del mar
Esquema de cómo ANTARES y una línea de amarre se pueden utilizar para estudiar las corrientes oceánicas
Es esencial calibrar y monitorear la respuesta de cualquier detector de neutrinos submarinos midiendo parámetros ambientales tales como las propiedades ópticas del agua, las corrientes marinas, la bioluminiscencia y el ruido acústico. Esta es la razón por la que los telescopios de neutrinos de aguas profundas no solo examinan el cosmos desde el abismo, sino que también contribuyen a una investigación más realista. Gracias a su conexión permanente con un laboratorio en tierra, instalaciones como ANTARES y KM3NeT están proporcionando datos nuevos y valiosos para oceanógrafos, geofísicos y biólogos, que generalmente dependen de estaciones autónomas con capacidad limitada de almacenamiento de datos. El monitoreo a largo plazo y en tiempo real de los parámetros de las profundidades marinas, como la temperatura, la presión, la salinidad y el contenido de oxígeno y dióxido de carbono, permitirá una mejor comprensión del medio ambiente marino y los ecosistemas, y del impacto del cambio climático en los océanos. El despliegue de un sismómetro y de manómetros en el sitio también contribuirá al monitoreo y la alerta temprana de peligros sísmicos como terremotos y tsunamis. Incluso los neutrinos registrados por KM3NeT, que atravesaron toda la Tierra, pueden ser explotados por geofísicos para obtener información indirecta sobre la composición de las regiones más internas del planeta, complementando los conocimientos inferidos de las ondas sísmicas.
Los fotomultiplicadores de los telescopios también son sensibles al fondo continuo de luz bioluminiscente emitida por microorganismos. Aunque los físicos ven esta luz como ruido, para los biólogos marinos es una señal valiosa. Un estudio, por ejemplo, combinó datos obtenidos por ANTARES y dos líneas de amarre independientes ubicadas también en el noroeste del mar Mediterráneo. Buscando correlaciones entre temperatura, velocidad de corriente y actividad óptica, el estudio ha llevado a una mejor comprensión del vínculo entre la bioluminiscencia y los mecanismos de formación de aguas profundas: los inviernos fríos densifican las aguas superficiales que se hunden en el abismo por gravedad, aportando oxígeno y desencadenar un fuego artificial de bioluminiscencia alrededor de ANTARES.
Otros descubrimientos han venido de prototipos de matrices de hidrófonos tanto en ANTARES como en el prototipo de telescopio de neutrinos italiano NEMO. Estas matrices están destinadas principalmente a estudiar la posibilidad de mejorar la detección de neutrinos altamente energéticos escuchando su onda de sonido asociada. Pero también resultan ser una forma no invasiva de monitorear la presencia y actividades de los delfines y otros mamíferos marinos mediante la detección de sus emisiones acústicas, que pueden propagarse por decenas de kilómetros en el agua de mar. Estos van desde "clics" de ecolocalización ultrasónica hasta silbidos modulados en frecuencia utilizados para la comunicación social. Rastrear estas señales incluso ha terminado revelando la presencia continua a grandes profundidades en el Mediterráneo de una población de cachalotes mucho más grande de lo que se infiere previamente a partir de grabaciones de sonido realizadas cerca de la superficie.
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Sobre el Autor
Antoine Kouchner y Véronique Van Elewyck están en la Universidad Paris Diderot, Francia, y miembros de las colaboraciones ANTARES y KM3NeT, correo electrónico kouchner@apc.univ-paris-diderot.fr y elewyck@apc.univ-paris-diderot.fr
20 de noviembre de 2017
Building, un experimento en el fondo del mar para detectar neutrinos del espacio exterior podría parecer algo extraño de hacer, pero los investigadores han estado perfeccionando el emparejamiento inusual durante medio siglo. Antoine Kouchner y Véronique Van Elewyck explican por qué y cómo los investigadores utilizan el océano como un detector de neutrinos gigantes
Cascadas cósmicas
En las profundidades del mar Mediterráneo, lejos del brillante cielo azul claro, se esconde un tesoro escondido. No es un naufragio o el tesoro de un pirata, un artefacto perdido o una escultura tallada en agua. De hecho, a primera vista, simplemente se ve como unas burbujas muy organizadas y extrañamente estacionarias. Pero estos no son solo bolsas de aire atrapadas. Son esferas de vidrio conectadas por líneas de cables, enraizadas en el fondo del mar. Oscilando ligeramente con las corrientes, esta extraña formación es completamente ajena al hermoso océano.
En lugar de ser una instalación de arte vista solo por criaturas marinas y submarinos, la escultura inesperada es un detector de neutrinos, conocido como ANTARES (Astronomía con un Telescopio de Neutrinos y RESUMEN del entorno Abyss). Pequeños y sin carga, los neutrinos pueden producirse artificialmente en reactores nucleares o crearse cuando los rayos cósmicos (protones o núcleos más pesados) golpean la atmósfera. Pero los físicos de ANTARES están más interesados en los neutrinos de otros lugares, como las galaxias remotas. En ese caso, se producen cuando los rayos cósmicos se aceleran y colisionan con el medio ambiente denso.
A diferencia de las partículas cargadas, los neutrinos no son desviados por los campos magnéticos que impregnan el universo; Además, interactúan tan débilmente con la materia que pueden viajar grandes distancias a través del espacio sin ser absorbidas o dispersas. Detectar tales neutrinos y volver sobre sus caminos permite, por lo tanto, identificar las fuentes cósmicas. Sin embargo, estas partículas subatómicas son incluso más difíciles de detectar que las que se producen en la Tierra porque son muy pocas.
Las únicas fuentes identificadas de neutrinos cósmicos son el Sol y la supernova SN1987A. Ambos fueron confirmados en la década de 1980 utilizando, entre otros, el detector Kamiokande de Japón, que contenía 3000 toneladas de agua ultrapura en un laboratorio a 1000 m bajo tierra. Pero los astrofísicos anticipan mucho más del cielo de neutrinos, especialmente a energías superiores a 10 12 eV (TeV), razón por la cual han recurrido a los océanos. A diferencia de los detectores como Kamiokande, o su sucesor aún más grande, Super-Kamiokande, utilizar el océano significa que no hay necesidad de cavar grandes complejos subterráneos y no hay límite de cuán grandes pueden ser los detectores.
Destinado para las profundidades
Fotografía de una sola línea de ANTARES antes del despliegue
Una belleza de las aguas oceánicas es que sirven como un escudo natural contra el fondo de partículas cargadas (principalmente muones) creadas a partir de rayos cósmicos que interactúan en la atmósfera. Para reducir aún más esta contaminación, los telescopios de neutrinos también concentran sus observaciones en los neutrinos ascendentes que han pasado a través de la Tierra. Estos telescopios, en otras palabras, observan el cielo en el otro lado de la Tierra, usando el planeta como un "filtro" de partículas gigantes que deja pasar solo a los neutrinos.
Pero el principal atractivo del océano para los físicos es el agua misma, que transforma el mar en un telescopio gigante. En particular, detecta la "luz Cherenkov" producida por partículas cargadas que se crean cuando un neutrino interactúa con el núcleo de un átomo. Moviéndose más rápido que la velocidad de la luz en el agua, estas partículas crean un cono de luz azul en un ángulo bien definido con respecto a la dirección de viaje de la partícula (figura 1), un proceso similar a la creación de ondas de choque sonoras. En un entorno oscuro y transparente, esta luz de Cherenkov puede detectarse mediante fotomultiplicadores y luego utilizarse para reconstruir la energía y la dirección de entrada del neutrino padre. Mientras que tanto Kamiokande como Super-Kamiokande confían en este principio, sus tanques de agua no son lo suficientemente grandes como para detectar el flujo extremadamente débil de los neutrinos cósmicos. El océano, sin embargo,
Esquema de ANTARES y un muón que produce luz Cherenkov
1 luz azul
Mirando a través de la tierra
La idea descabellada de colocar un detector de neutrinos en el fondo del mar fue propuesta por primera vez en 1960 por el físico soviético Moisey Markov, pero no fue sino hasta la década de 1970 cuando Estados Unidos comenzó a trabajar en el primer telescopio de neutrinos submarinos frente a la costa de Hawai. - el Detector de muones y neutrinos submarinos profundos (DUMAND). Como estaba en el hemisferio norte, el detector fue diseñado para encontrar neutrinos del cielo del sur, en el lado opuesto del planeta. En esa dirección se encuentra la región interior de nuestra galaxia, que se sabe que alberga un agujero negro supermasivo y una plétora de otros sitios de aceleración de partículas que podrían estar produciendo neutrinos cósmicos.
La instalación planificada de DUMAND y los detectores de aguas profundas instalados desde entonces incluyen una serie de cables verticales, de varios cientos de metros de altura. También conocidos como "líneas", debían anclarse al fondo del mar a una profundidad de 4800 my mantenerse verticalmente mediante boyas sumergidas. Estas líneas soportarían cúmulos de fotomultiplicadores protegidos de la presión del océano en esferas de vidrio de un centímetro de espesor de aproximadamente medio metro de diámetro. Esta matriz debía conectarse a la costa a través de un cable electroóptico largo, alimentando el detector y proporcionando soporte de fibra óptica para la transmisión de datos.
Pero los desafíos tecnológicos fueron enormes y DUMAND nunca se completó. Trabajar bajo el agua significa lidiar con la alta presión, la corrosión y los conectores con fugas - y no puede simplemente sumergirse para hacer reparaciones. Desde 1982 hasta 1987, se requirieron algunos 14 operaciones de I + D en el mar antes de la primera línea prototipo autónoma logró detectar trayectorias de muones atmosféricos, validando el principio de detección basado en Cherenkov y la activación de la instalación del cable principal. En diciembre de 1993, se conectó la primera línea, pero se produjo una fuga de un recipiente a presión unas horas más tarde, lo que finalmente generó un cortocircuito y provocó la pérdida de la comunicación con el aparato instalado.
Fotografía de secciones de una línea de ANTARES bajadas al mar
Ese mismo año también vieron a los científicos comenzar a instalar un telescopio en el lago Baikal, Siberia, el lago más profundo del mundo y el mayor cuerpo de agua dulce, alcanzando profundidades de unos 1600 m. El lago se cubre en invierno con una gruesa capa de hielo, lo que facilita la instalación del detector porque puede soportar el peso de instrumentos pesados sin agrietarse, y se desplegó rápidamente un detector de ocho líneas con 192 fotomultiplicadores. Sin embargo, el agua del lago, a pesar de estar entre las más puras del mundo, no era ideal para detectar neutrinos porque absorbe la luz más que el hielo o el agua de mar. Por lo tanto, las líneas de detección tuvieron que colocarse relativamente cerca unas de otras, restringiendo el volumen de detección a un modesto ~ 5 Mt (equivalente a 0.005 km 3 ).
De regreso en los Estados Unidos, el proyecto DUMAND fue detenido en 1995 debido a la falta de fondos, y las actividades fueron redirigidas a la instalación de un detector similar en el hielo antártico: el Antártico Muon y Neutrino Detector Array (AMANDA). Al igual que con el lago Baikal en invierno, el hielo sólido hizo la vida más fácil al permitir a los investigadores perforar agujeros en el hielo con agua caliente, sin necesidad de un barco. La construcción simplificada compensó parcialmente las pérdidas de rendimiento causadas por la óptica menos favorable del hielo en comparación con el agua de mar y el hecho de que el detector estaba en el hemisferio sur, por lo que no tenía el centro de la Vía Láctea en su campo de visión.
Fotografía de las esferas fotomultiplicadoras de KM3NeT en el laboratorio
AMANDA dejó de operar en 2004 y se actualizó al famoso IceCube Neutrino Observatory. En 2013, este detector de 1 km 3 identificó neutrinos cósmicos de las profundidades del espacio, por lo que ganó el Premio Física del Año de Física Mundial en 2013. Pero el origen de la señal cósmica de IceCube sigue siendo desconocido. Los investigadores no han podido identificar las fuentes porque tienen estadísticas limitadas y poder de reconstrucción direccional. Esta última limitación se debe en parte a la importante difusión de la luz en el hielo, que degrada la resolución angular de IceCube, un parámetro crucial para la astronomía.
El atractivo del Mediterráneo
Así que volvemos a climas más cálidos y ANTARES. Después del fracaso de DUMAND, Europa había asumido la antorcha de los telescopios de neutrinos submarinos, concentrándose en el mar Mediterráneo porque se encuentra en el hemisferio norte y ofrece sitios de alta mar relativamente cerca de las instalaciones en tierra. Después de varios estudios de sitios y desarrollos de prototipos en Grecia, Italia y Francia, el proyecto ANTARES comenzó en 1996 frente a las costas de Toulon, Francia.
Pero el éxito no fue inmediato, con docenas de pruebas autónomas que deben llevarse a cabo para comprender las condiciones ambientales. Los investigadores necesitaban saber todo, desde cómo las corrientes marinas doblan las líneas de detección y cómo la salinidad afecta la velocidad del sonido en el agua (vital para la calibración), cómo la bioluminiscencia afectaría a los fotomultiplicadores y si la bioincrustación podría ensuciar los módulos de detección. Algunos físicos valientes incluso ocasionalmente tuvieron el privilegio de bucear a profundidades de casi 2.500 metros a bordo del Nautile , un submarino tripulado del instituto de investigación francés Ifremer que también sirvió para la exploración del naufragio del Titanic.. Entre sus misiones, estos investigadores tuvieron que conectar electro-ópticamente el cable principal y realizar inspecciones visuales del área. Sus aventuras incluso llevaron a algunas sorpresas, como el descubrimiento de un viejo cañón encontrado cerca del detector.
La primera línea de detección se instaló en 2006 y ANTARES se completó en 2008 con 12 líneas de detección, cada una con 75 esferas fotomultiplicadoras a lo largo de sus 450 my ancladas a una profundidad de 2500 m. ANTARES ha observado hasta ahora más de 10,000 eventos de neutrinos con energías que van desde 100 GeV a varios cientos de TeV. Estos eventos detectados son compatibles con los neutrinos predichos creados por la interacción de los rayos cósmicos en la atmósfera, pero presumiblemente ocultan un puñado de neutrinos cósmicos.
Fotografía de un marco de línea KM3NeT desplegándose en el océano
ANTARES, con su potencia de puntería inigualable y buena cobertura de la región central de nuestra galaxia, proporciona resultados importantes e información complementaria a IceCube. También es parte de un ambicioso programa "multimessenger" que busca correlacionar los eventos de neutrinos con otras sondas cósmicas, incluidos los fotones (desde la radio hasta los rayos gamma) e incluso las ondas gravitacionales detectadas recientemente. A pesar de estos esfuerzos, y la presencia de un ligero exceso de eventos en los datos de ANTARES que podrían corresponder a una señal cósmica, no se han realizado intentos para identificar una fuente de neutrinos hasta el momento. La confirmación solo puede venir de un detector aún más grande: el Telescopio de Neutrinos Kilómetro Cúbico ( KM3NeT ), que será el sucesor de ANTARES.
La próxima generación: KM3NeT
La construcción de KM3NeT comenzó en 2015, con 240 científicos en 15 países diferentes embarcándose en la última aventura en aguas profundas. Y será masivo. Al finalizar a principios de la década de 2020, tendrá 345 líneas de detección distribuidas en dos sitios en el Mar Mediterráneo: una cerca de Toulon, cerca de ANTARES, y una segunda de la costa de Capo Passero en Sicilia, Italia, creando un telescopio con una detección volumen de más de 1 km 3 . Sujeto a financiamiento futuro, también puede haber un tercer sitio frente a la costa de Pylos, Grecia.
Mientras que la detección de neutrinos en KM3NeT seguirá dependiendo del principio Cherenkov, el nuevo proyecto presenta importantes mejoras tecnológicas basadas en la experiencia de una década de ANTARES y los otros prototipos. En particular, se alojarán 31 fotomultiplicadores pequeños, en lugar de uno único y más grande, en cada esfera de vidrio, que ofrecen varias ventajas en términos de eficacia de detección de fotones, recuento de fotones y direccionalidad, todos los cuales son ingredientes cruciales para la reconstrucción del entrante. energía de neutrinos y dirección de llegada.
El procedimiento de despliegue también se ha rediseñado: la línea de detección completa se enrolla en un marco esférico y se conecta a un anclaje de línea, que a su vez está equipado con un receptor acústico. Los investigadores pueden monitorear acústicamente el descenso de la unidad de detección desde un recipiente de superficie, permitiendo que las líneas se coloquen dentro de 1 m. Y ya no hay necesidad de buzos valientes, ya que el ancla está conectada a la red del lecho marino mediante un vehículo submarino operado remotamente desde el bote. Una vez que la conexión se verifica en tierra, una señal acústica activa el despliegue de la unidad. Los marcos de línea compactos también significan que se pueden implementar varias líneas durante un solo crucero, ahorrando tiempo y dinero.
Aunque ambos sitios de detección se basarán en la misma tecnología, los dos buscarán objetivos de física diferentes. En Toulon, se hará hincapié en el estudio de las propiedades de los neutrinos atmosféricos en el rango de energía GeV, con un denso detector llamado Oscillation Research with Cosmics in the Abyss (ORCA). En Sicilia, un detector más grande y más escaso llamado Astrofísica de Investigación con Cosméticos en el Abismo (ARCA) se centrará en el estudio de fuentes astrofísicas con energías que van desde TeV a PeV. En cada sitio, se han instalado las primeras líneas de las matrices y se han observado los primeros eventos de fondo.
Los físicos que trabajan en la construcción de KM3NeT están ansiosos por compartir sus datos y brindar nuevas oportunidades para las ciencias de la tierra y del mar a través de su infraestructura cableada. Desde la oceanografía hasta la geofísica y desde la biología marina hasta la climatología, aún no se ha explorado el potencial científico de los observatorios de neutrinos de aguas profundas. Como socio del Observatorio europeo multidisciplinario del fondo marino y la columna de agua, KM3NeT ayudará a los científicos a comprender la interacción compleja entre la geosfera, la biosfera y la hidrosfera, mientras continúa la búsqueda de neutrinos cósmicos (véase el recuadro a continuación). Entonces, en 2020, habrá muchas más burbujas de vidrio ordenadas que confundirán a los peces mientras exploran las profundidades para mirar a lo lejos.
Caja: un observatorio multidisciplinar del mar
Esquema de cómo ANTARES y una línea de amarre se pueden utilizar para estudiar las corrientes oceánicas
Es esencial calibrar y monitorear la respuesta de cualquier detector de neutrinos submarinos midiendo parámetros ambientales tales como las propiedades ópticas del agua, las corrientes marinas, la bioluminiscencia y el ruido acústico. Esta es la razón por la que los telescopios de neutrinos de aguas profundas no solo examinan el cosmos desde el abismo, sino que también contribuyen a una investigación más realista. Gracias a su conexión permanente con un laboratorio en tierra, instalaciones como ANTARES y KM3NeT están proporcionando datos nuevos y valiosos para oceanógrafos, geofísicos y biólogos, que generalmente dependen de estaciones autónomas con capacidad limitada de almacenamiento de datos. El monitoreo a largo plazo y en tiempo real de los parámetros de las profundidades marinas, como la temperatura, la presión, la salinidad y el contenido de oxígeno y dióxido de carbono, permitirá una mejor comprensión del medio ambiente marino y los ecosistemas, y del impacto del cambio climático en los océanos. El despliegue de un sismómetro y de manómetros en el sitio también contribuirá al monitoreo y la alerta temprana de peligros sísmicos como terremotos y tsunamis. Incluso los neutrinos registrados por KM3NeT, que atravesaron toda la Tierra, pueden ser explotados por geofísicos para obtener información indirecta sobre la composición de las regiones más internas del planeta, complementando los conocimientos inferidos de las ondas sísmicas.
Los fotomultiplicadores de los telescopios también son sensibles al fondo continuo de luz bioluminiscente emitida por microorganismos. Aunque los físicos ven esta luz como ruido, para los biólogos marinos es una señal valiosa. Un estudio, por ejemplo, combinó datos obtenidos por ANTARES y dos líneas de amarre independientes ubicadas también en el noroeste del mar Mediterráneo. Buscando correlaciones entre temperatura, velocidad de corriente y actividad óptica, el estudio ha llevado a una mejor comprensión del vínculo entre la bioluminiscencia y los mecanismos de formación de aguas profundas: los inviernos fríos densifican las aguas superficiales que se hunden en el abismo por gravedad, aportando oxígeno y desencadenar un fuego artificial de bioluminiscencia alrededor de ANTARES.
Otros descubrimientos han venido de prototipos de matrices de hidrófonos tanto en ANTARES como en el prototipo de telescopio de neutrinos italiano NEMO. Estas matrices están destinadas principalmente a estudiar la posibilidad de mejorar la detección de neutrinos altamente energéticos escuchando su onda de sonido asociada. Pero también resultan ser una forma no invasiva de monitorear la presencia y actividades de los delfines y otros mamíferos marinos mediante la detección de sus emisiones acústicas, que pueden propagarse por decenas de kilómetros en el agua de mar. Estos van desde "clics" de ecolocalización ultrasónica hasta silbidos modulados en frecuencia utilizados para la comunicación social. Rastrear estas señales incluso ha terminado revelando la presencia continua a grandes profundidades en el Mediterráneo de una población de cachalotes mucho más grande de lo que se infiere previamente a partir de grabaciones de sonido realizadas cerca de la superficie.
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Sobre el Autor
Antoine Kouchner y Véronique Van Elewyck están en la Universidad Paris Diderot, Francia, y miembros de las colaboraciones ANTARES y KM3NeT, correo electrónico kouchner@apc.univ-paris-diderot.fr y elewyck@apc.univ-paris-diderot.fr