Detectores de neutrinos bajo el hielo de la Antártida

Módulos DOM

Una representación artística de los detectores esféricos incrustados en el hielo.
Crédito: Jamie Yang, IceCube Collaboration.

Bajo un kilómetro de la superficie helada de la Antártida, hay suspendidos en el hielo miles de sensores digitales esféricos. Al parecer, no tienen nade que registrar. A esas profundidades, no se ve nada, el hielo es totalmente negro. También está claro que las burbujas han sido expulsadas por la presión intensa. Vamos, que hay un silencio sepulcral.

Pero estos sensores – que forman parte de la National Science Foundation y que han sido financiados por el proyecto IceCube – están buscando algo.

Están a la espera de detectar pequeñas partículas cargadas que emiten destellos de luz azul fantasmal en el hielo oscuro. Estos destellos se denominan radiación de Cherenkov. Estas partículas cargadas son un producto de la interacción de los neutrinos con el hielo, y lo que los científicos buscan en realidad son esos escurridizos neutrinos. La luz simplemente indica el lugar dónde los neutrinos han chocado contra algo (por ejemplo, una molécula de agua).

Doug Cowen, investigador del Penn State y profesor de la Universidad Eberly College of Science, dijo: “Los neutrinos son sin lugar a duda unas de las partículas fundamentales más penetrantes y menos comprendidas a la vez. La tecnología de IceCube nos permite entender más acerca de sus propiedades y es la única tecnología capaz de descubrir los neutrinos de más alta energía”.

Los neutrinos nacen de eventos galácticos violentos – como por ejemplo, de explosiones de supernova, de explosiones de rayos gamma y del Big Bang. Son la segunda partícula más común en el Universo (después de los fotones) y alrededor de unos 100 billones atraviesan el cuerpo humano cada segundo.

Estas partículas son importantes, ya que pueden dar a los científicos nuevas pistas sobre los fenómenos de supernovas y los rayos cósmicos. Los neutrinos viajan en línea recta. Estudiando sus energías y la dirección de la cual provienen, los científicos pueden rastrearlos hasta sus orígenes cósmicos.

Unos de estos detectores de neutrinos se baja en el hielo de la Antártida. Crédito: IceCube/ National Science Foundation

Unos de estos detectores de neutrinos se baja en el hielo de la Antártida.
Crédito: IceCube/ National Science Foundation

El único problema es encontrarlos. Los neutrinos apenas interactúan con la materia y casi no tienen masa. Son notoriamente difíciles de localizar y a veces se les ha dado el nombre de “partículas fantasmales”.

Aquí es donde IceCube, un telescopio de neutrinos, entra en juego. En lugar de colocarlo en el suelo mirando hacia el cielo (como es lo habitual para un telescopio), se sumerge en las profundidades del hielo, entre 1.450 y 2.450 metros. Estos sensores ópticos son desplegados en “cuerdas” de sesenta módulos cada una.

Los primeros detectores de neutrinos fueron desplegados en el año 2005 mediante el uso de un taladro especial de agua caliente para fundir el hielo y crear un agujero de más de un kilómetro de profundidad. Había que bajarlos antes de que el agua se volviera a congelar a su alrededor. La construcción terminó en el 2010, con un total de más de 5000 detectores sepultados en el hielo. Es el mayor telescopio de neutrinos en el mundo.

El proyecto ya está teniendo éxito. En noviembre, IceCube informó que había detectado 28 neutrinos de alta energía en el hielo. Se cree que estos neutrinos se originaron fuera de nuestro Sistema Solar.

El proyecto IceCube incluye el esfuerzo de más de 250 personas. Entre los miembros del equipo está Ryan Eagan, un estudiante de grado en física computacional del estado de Pensilvania, que está usando unidades de procesamiento gráfico (GPU) para ejecutar simulaciones para predecir con mayor precisión el comportamiento de los neutrinos.

Los GPUs fueron creados originalmente para apoyar las necesidades de computación de los gráficos avanzados de los video juegos. Pronto se descubrió que no eran muy útiles para hacer que los zombis y las carreras de coches parecieran más reales. Aunque, resultó que también son excelentes plataformas para determinadas aplicaciones científicas y de ingeniería.

La Universidad de Penn State está utilizando unidades como el acelerador Tesla K40 GPU de Nvidia para acelerar sus simulaciones de neutrinos. Crédito: Nvidia Corporation

La Universidad de Penn State está utilizando unidades como el acelerador Tesla K40 GPU de Nvidia para acelerar sus simulaciones de neutrinos.
Crédito: Nvidia Corporation

William Brouwer, un científico computacional del grupo de Investigación Informática y Ciberinfraestructura (RCC) del Penn State, dijo: “Los GPUs pueden ejecutar miles de cadenas ligeras a la vez. Para las aplicaciones adecuadas, usted puede hacer muchas cosas sencillas a la vez con una GPU”.

El equipo está utilizando GPUs para ejecutar simulaciones del aspecto que tendrán las interacciones de los neutrinos con el hielo. A pesar de su ubicación fría y remota, estos detectores de neutrinos recogen una gran cantidad de datos, hasta un terabyte por día. Las simulaciones dan a los investigadores pautas a tener en cuenta, para así poder descartar mejor el ruido de fondo y las interferencias.

Estas simulaciones requieren el procesamiento de una cantidad increíble de datos. Con los miles de millones de eventos que se simulan, llevaría toda una vida procesarlos sin las GPUs.

Eagan dijo: “Estamos absolutamente seguros de que no podríamos hacer lo que estamos haciendo hoy en día sin esta tecnología. Las simulaciones se ejecutan hasta 100 veces más rápido que si no tuviéramos estas unidades de procesamiento gráfico”.

Cowen está de acuerdo, y dijo que una mayor velocidad en las simulaciones les ha permitido comprender mejor los datos y aumentar la probabilidad de que el telescopio siga descubriendo neutrinos, que dan acceso a otro extraño y desconocido mundo, uno mucho más allá de las profundidades heladas de la Antártida y fuera del alcance de nuestro sistema solar.

Fuente: Phys.org

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Sara Muñoz

Acerca de Sara Muñoz

Tengo un grado en física y actualmente estoy haciendo un master en astronomía y astrofísica. Me encanta la ciencia en general, y en particular la astronomía. También me gusta la biología, la arqueología y la ciencia ficción. Y me gustaría dedicarme más a la divulgación de la ciencia.