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Artículo publicado por Lauren Biron el 9 de septiembre de 2015 en Symmetry Magazine

Los científicos esperan usar los experimentos con neutrinos para observar la formación de un agujero negro.

Los agujeros negros nos fascinan. Fácilmente podemos imaginarlos tragándose naves espaciales, pero sabemos poco sobre estos extraños objetos. De hecho, nunca hemos observado la formación de un agujero negro. Los científicos que trabajan en experimentos con neutrinos tales como el próximo Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) esperan cambiar eso.

Agujero negro

Agujero negro Crédito: NASA/CXC/M.Weiss

“Tienes que tener un poco de suerte”, señala Mark Thomson, co-portavoz de DUNE. “Pero sería uno de los mayores descubrimientos de la ciencia. Sería absolutamente increíble”.

Los agujeros negros a veces nacen cuando una estrella masiva, normalmente de más de ocho veces la masa de nuestro Sol, colapsa. Pero hay muchas preguntas sobre qué sucede exactamente durante este proceso: ¿con qué frecuencia dan lugar estos colapsos a agujeros negros? ¿Cuándo se desarrolla realmente el agujero negro durante el colapso?

Lo que saben los científicos es que en las profundidades de los densos núcleos de las estrellas, los protones y los electrones quedan exprimidos entre sí formando neutrones, enviando al exterior unas fantasmales partículas conocidas como neutrinos. La materia cae hacia el interior. En los ejemplos de los libros de texto, la materia rebota y estalla, dejando una estrella de neutrones pero, a veces, no se produce la supernova y no existe explosión; en lugar de esto, nace un agujero negro.

Los gigantescos detectores de DUNE, rellenos con argón líquido, se situarán a más de un kilómetro de profundidad bajo la superficie en una remozada mina de oro. Aunque gran parte de su tiempo lo pasará buscando neutrinos enviados desde el Fermi National Accelerator Laboratory a 1300 kilómetros de distancia, los detectores también tendrán la rara capacidad de captar un colapso de núcleo en nuestra galaxia, la Vía Láctea, proceda o no de la formación de un nuevo agujero negro.

La única supernova registrada por detectores de neutrinos tuvo lugar en 1987, cuando los científicos observaron un total de 19 de dichas partículas. Los investigadores aún no saben si dicha supernova formó un agujero negro o una estrella de neutrones, simplemente no tenían suficientes datos. Thomson dice que si estalla una supernova cercana, DUNE podría observar hasta 10 000 neutrinos.

DUNE buscará una señal concreta en los neutrinos captados por el detector. Se predice que un agujero negro se formará relativamente pronto tras la explosión de la supernova. Los neutrinos podrán abandonar el colapso en gran número hasta que surja el agujero negro, atrapándolo todo, incluidos la luz y los neutrinos, bajo su gravedad. En términos de datos, esto significa que tendrías un gran estallido de neutrinos y después un súbito corte.

Los neutrinos aparecen en tres tipos, llamados sabores: electrón, muón y tau. Cuando una estrella estalla, emite todos los tipos de neutrinos, así como sus antipartículas.

Son difíciles de captar. Estos neutrinos llegan con 100 veces menos energía que aquellos que proceden del acelerador para los experimentos, lo que hace que sea menos probable que interactúen con el detector.

La mayoría de los grandes detectores de partículas actualmente en funcionamiento capaces de ver neutrinos procedentes de supernovas detectan mejor los antineutrinos electrón, y no son muy buenos detectando sus equivalentes de materia, los neutrinos electrón.

“Sería una tragedia no estar listos para detectar los neutrinos con todo el detalle suficiente para responder preguntas clave”, señala John Beacom, director del Centro para Cosmología y Astrofísica de Partículas en la Universidad Estatal de Ohio.

Por suerte, DUNE es único. “El único que es sensible a un gran impacto de neutrinos electrón es DUNE, y esto se debe al uso del argón [como fluido detector]”, explica Kate Scholberg, profesora de física en la Universidad de Duke.

Se necesitará algo más que sólo DUNE para lograr la descripción completa, no obstante. Conseguir un conjunto de grandes y potentes detectores de distintos tipos que funcionen es la mejor forma de descubrir la vida de los agujeros negros, apunta Beacom.

Hay un gran detector, JUNO, en funcionamiento en China, y planes para un enorme detector de agua, el Hyper-K, en Japón. Los detectores de ondas gravitatorias como LIGO podrían captar información adicional sobre la densidad de materia y qué sucede durante el colapso.

“Mi sueño es tener una supernova con JUNO, Hyper-K y DUNE todos en funcionamiento”, comenta Scholberg. “Ciertamente, eso haría que mi década fuese feliz”.

La tasa a la que llegan los neutrinos tras una supernova contará a los científicos lo que está sucediendo en el centro del colapso del núcleo, pero también proporcionará información sobre los misteriosos neutrinos, incluyendo cómo interactúan entre sí y una potencial visión sobre el peso real de las minúsculas partículas.

En los próximos tres años, la colaboración DUNE, en rápido crecimiento, construirá y empezará a poner a prueba un prototipo de detector de argón líquido de 40 000 toneladas. Esta versión, de 400 toneladas, será el segundo experimento más grande realizado con argón líquido hasta la fecha. Tiene previsto que sus pruebas comiencen en el CERN en 2018.

DUNE tiene planificado empezar a instalar el primero de sus cuatro detectores en la Sanford Underground Research Facility para 2021.

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