Observatorio IceCube

Existen grandes grandes obra de ingeniería que durante su construcción pasan desapercibidas por casi todo al mundo. El IceCube Neutrino Observatory es un buen ejemplo de esto: enterrado bajo el Polo Sur se ha mantenido lejos de los periodistas durante los 10 años que ha durado su construcción. Este “telescopio” que se terminó a finales del año pasado, tiene como función observar el universo, pero en lugar de utilizar las ondas de radio o la luz visible, lo hará detectando (viendo) neutrinos.

El problema que presentan este tipo de aparatos (detectores) es que los neutrinos son partículas extremadamente difíciles de detectar, ya que apenas interactúan con la materia. Trillones de ellas atraviesan nuestro planeta cada segundo, por cada metro cuadrado de superficie, pero por su pequeñísima masa (Algo menos de una milmillonésima parte de la masa de un átomo de hidrógeno) muy rara vez colisionan con algún átomo, por lo que resultan prácticamente indetectables. Son partículas tan pequeñas que se cuelan entre las partículas del nucleo y los electrones que giran a su alrededor, sin chocar con ellas.

Los neutrinos son las partículas más pequeñas conocidas. Los de alta energía tienen su origen en diversos fenómenos astronómicos, como los agujeros negros o los restos de supernovas (explosiones que se crean con la muerte de algunas estrellas), entre otras causas. Los de baja energía se producen a partir de diferentes procesos, como las reacciones nucleares, o en cuerpos astronómicos como el sol, que da lugar a unos 1.000 billones de trillones de neutrinos de baja energía por segundo.

Haría falta un muro de plomo de un año luz de espesor (casi 10 billones de kilómetros) para poder parar el curso de un neutrino. Esta esquiva partícula es lo que algún científico ha denominado como la más pequeña cantidad de realidad que el ser humano pueda imaginar. Se originaron, junto con el resto del universo, hace unos 13.000 millones de años, aunque también son producidos por las centrales nucleares, los aceleradores de partículas, los fenómenos atmosféricos y siderales. Un neutrino es tan, tan diminuto, hasta el punto de que en un principio los físicos pensaron que no tenía masa; luego se descubrió que sí. Pero interactúan tan poco con la materia que la atraviesan sin provocar ningún cambio en ella. Y precisamente por eso son tan difícilmente detectables.

La observación de estos diminutos pedazos de universo resulta útil para saber más acerca de cuestiones que preocupan a los científicos como los rayos cósmicos, la supersimetría o las partículas de interacción débil, además de distintos aspectos de la física de partículas y de la materia oscura. En otras palabras, los neutrinos pueden ayudar a entender mejor de qué está hecho el universo y cuáles son sus orígenes.

Estas partículas son tan diminutas que interactúan muy poco con la materia, es decir, que la atraviesan sin causar ningún efecto en ella y sin que ni ella, ni las interferencias, les afecten. Por eso, a pesar de la distancia entre los fenómenos astronómicos comentadosy nuestro planeta, los neutrinos pueden recorrer los millones de kilómetros que separan por ejemplo la explosión de una supernova y la Tierra a una velocidad próxima a la de la luz y sin que se vean afectados por nada en su recorrido. Traspasan el planeta continuamente, a razón de unos cuantos trillones de ellos por metro cuadrado cada segundo. Lo atraviesan todo, incluyendo la revista que sostiene en sus manos y a usted mismo, y siguen su camino sin ser detectados.

No todos consiguen pasar a través de la materia y unos pocos, muy pocos entre tantos trillones, chocan con algún átomo de vez en cuando. La colisión es lo que los científicos, gracias a la tecnología, son capaces de detectar, de tal modo que pueden obtener algunas conclusiones estadísticas sobre ese hecho.

Los efectos de las colisiones con los átomos no son sencillos de observar y por eso hace falta contar con tecnología muy especial para poder hacerlo: una buena opción que han hallado los científicos es utilizar un cubo de hielo de 1 km3 de tamaño cosido por una red de 4.800 sensores que, a su vez, están conectados a un laboratorio dotado de potentes ordenadores. Si bien no lo parezca por la descripción, se trata de un telescopio.

En el choque de neutrinos y átomos se producen otras partículas denominadas muones. Estos generan una radiación, conocida como de Cherenkov, que emite una luz azul. Gracias a que la malla de sensores se sitúa en un medio transparente, el hielo, estos pueden detectar ese destello cuando el muón pasa junto a ellos. No todos los muones son generados por neutrinos de origen cósmico, que son los que interesan a los científicos, por eso necesitan deducir la dirección y el ángulo de los muones para determinar su procedencia y desechar los impactos que no les incumban para sus estudios. Dado que los sensores forman una malla tridimensional de puntos y sus relojes están sincronizados de manera muy precisa con otro central, según los datos que recaban de posición y tiempo, resulta posible saber por dónde ha pasado el muón a lo largo de una línea de tiempo y, por lo tanto, conocer su trayectoria.

Como complemento al sistema también hay instalada la denominada IceTop, una red compuesta por 320 sensores que rodean en la superficie el perímetro del área en la que se despliega el IceCube. Su función es detectar las lluvias aéreas, analizar los muones atmosféricos y calibrar el IceCube.

Digital Óptical Module (DOM o módulo óptico digital) es el nombre que reciben cada uno de los sensores que detectarán la luz azul emitida por la radiación de los muones cuando el telescopio observe el universo. Estos sensores tienen el tamaño de pelotas de baloncesto. Su carcasa es una esfera de cristal de 35,6 cm de diámetro que protege los componentes externos de las presiones que ejerce el hielo, así como de cualquier posible agresión exterior.

El tubo fotomultiplicador es la parte más importante del DOM, ya que se ocupa de ver la luz emitida por las radiaciones de los muones. Tiene 25 cm de diámetro y está fabricado por Hamamatsu, una empresa especialista en este tipo de detectores lumínicos.

Al no poder acceder a los módulos una vez que se han llevado a su posición final, estos están desarrollados para que duren unos 15 años aproximadamente, siendo capaces de calibrar por sí mismos el tubo fotomultiplicador y el temporizador que llevan incorporado, gestionar los datos obtenidos y empaquetarlos para su envío, así como recibir y procesar ordenes procedentes de la superficie.

Para mandar y recibir datos hacia el laboratorio instalado en la cota cero (Que es el verdadero cerebro de todo el proyecto) se utiliza un cable que además sirve para proporcionar la electricidad necesaria para el funcionamiento de los DOM, en concreto 3,5 W por cada uno de ellos. Este enlace de par de cobre también envía las señales de calibración para los temporizadores, un apartado fundamental en todo el sistema dada la precisión con la que es imprescindible trabajar.

Montaje del tambor para recoger la manguera utilizada para el taladro con agua caliente a presión.

Desarrollar estos especiales detectores es solo una parte del trabajo para ponerlos en funcionamiento. La otra tarea ha sido instalarlos bajo el suelo del PoloSur, algunos de ellos a tanta profundidad como 2,4 km. Es preciso, por lo tanto, taladrar un agujero de 50 cm de diámetro en el hielo. Puede parecer pequeño, pero cuando se trata de agua congelada y al tener que alcanzar los 2.400 m de profundidad, la cuestión se complica.

Antes que nada es básico llegar hasta el hielo. En la Antártida hay que atravesar una capa de 50 metros de nieve para poder perforar con agua caliente a presión, porque de otra forma el líquido se esparciría y no se podría realizar el trabajo. Para practicar este primer agujero se usa una sonda diseñada para tal fin. Una vez que se ha llegado al hielo se empieza a aplicar agua caliente a presión. Con ella se derrite el agua helada que, a su vez, es recirculada a la superficie, calentada y reutilizada para seguir perforando. Para ejecutar un solo agujero de 2,4 km de profundidad resulta necesario derretir más de 757.000 litros de hielo y extraer el líquido, lo que da una idea de las dimensiones y la dificultad de la operación.

Para convertir en líquido semejante cantidad de agua helada se necesita gastar casi 26.500 litros de combustible (Se ha usado combustible de motores de aviación) con el objeto de accionar varios sistemas. Uno de ellos es el dedicado a la producción de electricidad. Está compuesto por dos generadores de 400 Kw y otros dos de 60 Kw. Los grandes sirven para proveer de toda la electricidad precisa cuando se está taladrando y los pequeños solo cuando no se está agujereando y no se necesita tanta potencia eléctrica.

Otro sistema se reserva para el precalentamiento del agua. Es capaz de elevar la temperatura del líquido desde una temperatura próxima a la congelación (La que se acaba de licuar y extraer del agujero que se esté practicando en ese momento) hasta algo más de los 21 °C, a razón de 757 litros por minuto. Hay otro sistema de calentamiento de agua, que es el principal, que eleva la temperatura hasta casi los 88 °C.

Por último, existe un sistema formado por cuatro bombas de alta presión accionadas eléctricamente, que son las encargadas de impulsar el agua con la fuerza requerida para realizar el trabajo a través de unas mangueras de 6,35 cm de diámetro.

Celebración de la finalización del telescopio.

Todo este sistema dependió en la superficie de dos torres de perforación. Mientras una estaba ocupada perforando un agujero e instalando los sensores, la otra se movía a una nueva localización y se preparaba para el trabajo. De este modo, pueden llegar a mantener un ritmo de producción que les permite practicar e instrumentar un agujero de 2.400 metros de profundidad en tres díasy medio. De ese periodo, entre 40 y 48 horas se dedican solo a la perforación. A pesar de esta capacidad de perforación, como el clima únicamente solo permitía trabajar en el verano antártico, que va de noviembre a mediados de febrero, se tuvieron que emplear obligatoriamente varios años para terminar todo el proyecto.

Cuando se ha finalizado cada pozo, la cabeza de perforación monta unos dispositivos, entre ellos un sensor de presión, que envía datos a los técnicos sobre la profundidad alcanzada y las dimensiones del agujero, con el fin de determinar si es válido para la instalación de los módulos ópticos digitales. En total se tuvieron que practicar 80 de estos agujeros.

Tras la perforación y comprobación del hueco practicado en el hielo se procede a situar los sensores que detectarán las radiaciones de los muones, fruto de las colisiones de neutrinos.
Por cada agujero que se practica en el hielo se introduce un cable de comunicaciones y alimentación eléctrica al que van conectados un total de 60 DOM, de modo que éstos quedan como las cuentas de un enorme rosario dentro del agua congelada, unidos mediante un cordón umbilical a un sistema principal que llega hasta el laboratorio del proyecto.

La instalación de los sensores se ha de hacer con cuidado para no dañarlos. El procedimiento de colocarlos en su posición implica a siete personas y solo la fase de fijarlos al cable principal de comunicaciones y alimentación eléctrica requiere el esfuerzo de tres de ellas, aunque el resultado depende en buena parte del trabajo previo de una cuarta, un coordinador. Este responsable tiene que calcular el tiempo que hace falta para efectuar esta operación y en función de ello decidir qué anchura de agujero es necesario taladrar sin sobredimensionarlo y, por lo tanto, sin gastar más combustible del preciso.

Una vez que se ha terminado de horadar el hielo comienza la cuenta atrás, por lo que resulta imprescindible no sobrepasar el tiempo estimado, ya que a medida que éste avanza el pozo comienza a congelarse de nuevo y se estrecha poco a poco. Si se produce un retraso cabe entonces la posibilidad de que el cable con los sensores quede atascado sin llegar hasta su destino y deje a los DOM congelados en una posición inservible para desempeñar su trabajo.

En comunicación con las torres de perforación e instalación se encuentran unos barracones climatizados que proveen de acceso a la red informática y potencia eléctrica. En estas dependencias se procede a preparar los sensores para poder conectarlos con una buena cadencia y para desarrollar algunos tests finales. La tanda de 60 DOM que se emplaza en cada agujero procede del laboratorio central, en donde se ha verificado su buen funcionamiento electrónico y mecánico. Los sensores se van uniendo al cable principal en grupos de cuatro, tras lo cual se procede a hacer algunas comprobaciones finales de comunicación antes de colocar el siguiente grupo.

La conexión de cada DOM se lleva a cabo mediante un procedimiento que facilita su manejo seguro, pasando la tensión del cable principal (Al que se fija el sensor) al cabrestante de la torre de perforación. Una vez que se han efectuado las conexiones precisas, se vuelve a pasar la tensión al cable principal y se deja que descienda por el agujero. El cable queda recto dentro del hueco, incluso antes de acoplar el primer sensor, gracias a un lastre de 2,27 kg que se ajusta en su extremo inferior.

Tan pronto como se han introducido los 60 DOM en el pozo, este se cierra con una tapa y se realiza una conexión del cable de datos y electricidad a una red instalada en la superficie, que a su vez está conectada al laboratorio principal del proyecto. Dicha red se dispone incluso antes de que se perfore el hielo, de tal modo que a las pocas horas de terminar de situar cada línea de sensores ya se empiezan a recibir sus datos.

La red está formada por concentradores (hubs) a los que están unidos varios DOM. Los hubs de una misma línea de sensores se enlazan a un procesador, que se encarga de reunir los datos obtenidos por cada ristra de DOM de cada agujero. Todos los procesadores de línea envían a su vez sus datos a unidades de proceso denominadas event builders (reconstructores de eventos), cuya función es básicamente analizar la información en busca de la que resulte relevante para el proyecto.

Los event builders están alojados en el ICL (Laboratorio IceCube), un edificio en el que también se encuentran las oficinas del proyecto, las salas de mantenimiento electrónico y las dependencias logísticas. Desde este edificio la información recopilada se envía, a través de un satélite de la NASA, a un centro de datos de la Universidad de Wisconsin (Estados Unidos), mientras que aquella descartada se guarda en discos que se transportan físicamente en el viaje de vuelta del equipo a EEUU al final de cada temporada de perforación.

Los datos que llegan a Wisconsin desde el Polo Sur se copian en 326 discos duros, que suman 120TB (unos 120.000 GB de capacidad). Una docena de potentes servidores son los encargados de compartir esta ingente cantidad de información con las estaciones de trabajo. Finalmente los resultados se van guardando en cintas de alta capacidad de 500 GB cada una. En ellas cada noche se almacena cada noche lo que bien podría denominarse la voz de las estrellas.

Conceptualmente, la estrategia del proyecto IceCube es sencilla, pero tras ella hay todo un desarrollo científico previo y, en su ejecución, un notable despliegue técnico. También ha resultado de suma importancia la experiencia adquirida en otra iniciativa similar instalada en el mismo lugar que este nuevo telescopio: el AMANDA (Antartic Muon Neutrino Detector Array o, en castellano, matriz antártica de detección de muones y neutrinos). El centro de todo el proyecto IceCube se basa en una herramienta formada por una malla o matriz en la que se encuentran finos detectores, tal y como ya utilizaba AMANDA, solo que esta empleaba 677 sensores divididos en 19 lineas que alcanzan una profundidad de 1.900 metros. Todos ellos ahora son parte y están integrados en el nuevo IceCube.

En el proyecto de construcción han participado 400 personas y se han gastado 271 millones de dólares.

El IceCube Neutrino Observatory está en la Antártida. Para tener una remota posibilidad de que un neutrino “choque” con un detector, el observatorio necesita tener un tamaño enorme. El conjunto de detectores del IceCube Neutrino Observatory ocupa aproximadamente un kilómetro cúbico. Para que su funcionamiento no sea afectado por otras partículas o radiaciones, se ha instalado 1.400 metros por debajo de la superficie del hielo que cubre el Polo Sur. En su diseño y construcción han participado científicos de Estados Unidos, Bélgica, Alemania y Suecia, y el dispositivo será operado por la Universidad de Wisconsin-Madison y la National Science Foundation.

Cabeza del taladro calentada con agua caliente.

En el gráfico que muestra las lineas de cable que sujetan los detectores en los pozos se muestra la torre Eiffel, para poder comparar su tamaño. Se han necesitado unos 10 años de trabajo para tenerlo listo, el pasado 18 de diciembre se introdujeron los últimos 86 fotodetectores y sus respectivos cables hasta una profundidad de dos kilómetros y medio, dando por concluida la obra que ha costado unos 270 millones de dólares. Cada uno de estos sensores ha sido colocado en su sitio dentro del bloque de hielo mediante profundos agujeros. Estos huecos se realizaron utilizando una taladradora especial que hizo su trabajo mediante un cabezal especial activado con agua caliente, en total se extrajeron 757 metros cúbicos de hielo, por cada uno de los pozos de 2,4 kilómetros. Hubo que realizar cientos de pozos con una profundidad comprendida entre los 1.400 y 2.400 metros para instalar cada uno de los sensores y sus cables de conexión.

Aquí se ve uno de los pozos con el cable que comunica los sensores colgados de él.

Los sensores poseen el tamaño aproximado de una pelota de baloncesto, y tienen como función detectar la luz azul, llamada “radiación de Cherenkov“, que se produce cuando los neutrinos chocan contra átomos de agua en forma de hielo. La construcción del IceCube Neutrino Observatory ha representado todo un desafío. A pesar de no haber tenido por parte de la prensa la cobertura que tuvo la construcción del LHC, este observatorio seguramente pasará a la historia como uno de los proyectos científicos más importantes de este siglo. Dado lo inhóspito del continente antártico, se buscó un sitio que además de reunir las condiciones geográficas necesarias (por ejemplo, hielos con el suficiente grosor) se encontrase mas o menos cerca de una base permanente. Esto simplificaría en parte la logística de la obra, así que se decidió que el complejo quedase instalado cerca de la base que Estados Unidos tiene en el Polo Sur. Hasta allí se llevó la perforadora, que tardó un promedio de 48 horas para completar cada uno de los agujeros necesarios.

Este es el primer sensor bajado al pozo de hielo.

Tanto los componentes del telescopio como los materiales indispensables para mantener en forma a los 150 científicos y trabajadores que realizaron la obra fueron periódicamente transportados en avión. Esta gente vivió en el Polo durante 10 veranos antárticos, y solo una pequeña dotación pasaba allí el invierno. A lo largo de este tiempo aprovecharon su experiencia para escribir una guía titulada “guía de cómo vivir en el Polo Sur”. Francis Halzzen, investigador jefe del proyecto, dice que IceCube es un telescopio que toma una imagen del Universo utilizando neutrinos en lugar de luz. Ahora que su construcción ha finalizado, se está en disposición de alcanzar el nivel de sensibilidad necesario para ver neutrinos de otros lugares más allá del Sol.

Los neutrinos no pueden ser observados directamente. En su lugar, se deduce información cinemática del neutrino por medio de la detección de las infrecuentes colisiones que ocurren entre un neutrino y un átomo, de una molécula de agua, dentro del hielo. Las estimaciones actuales predicen que se detectarán cerca de mil de estas colisiones por día.

Debido a la alta densidad del hielo, casi todos los productos detectados de la colisión inicial serán muones. Por lo tanto este experimento es más sensible al flujo de neutrinos muónicos a través de su volumen. Sin embargo, también hay un fondo abundante de muones creados no por neutrinos sino por rayos cósmicos que impactan en la atmósfera encima del detector; la mayor parte de éstos pueden ser inmediatamente rechazados por el hecho que provienen de la parte superior del detector. La mayor parte de los neutrinos "ascendentes" que restan vendrán de los rayos cósmicos que golpean el lado opuesto de la tierra, pero una fracción desconocida puede ser de origen astronómico.

Para distinguir entre estas dos fuentes de forma estadística, la dirección y la energía del neutrino entrante se estima por medio de los subproductos de la colisión. Los excesos inesperados en energía o de una dirección espacial dada indican una fuente extraterrestre.

Gran parte del texto se ha extraido de un artículo del número 16 (Julio - agosto 2008) de la revista Logismarket.