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| El laboratorio IceCube en el Polo Sur. Los 5160 sensores ópticos de IceCube están enterrados bajo el hielo entre 1,5 y 2,5 km, instrumentando un volumen total de 1 km3. La dirección y la energía de las partículas que atraviesan el detector se reconstruyen a partir de las señales que producen en los sensores ópticos, y esta información se envía por enlace satelital a las instituciones participantes en IceCube para su posterior análisis. Crédito: Martin Wolf, IceCube/NSF. |
Los recientes avances tecnológicos han permitido el desarrollo de telescopios e instrumentos astrofísicos cada vez más avanzados. Entre ellos se encuentra el telescopio IceCube, construido originalmente para detectar y examinar neutrinos de alta energía en el universo.
Los telescopios de neutrinos de alta energía, como el IceCube, no sólo son sensibles a los neutrinos, sino que también pueden utilizarse para detectar otras partículas exóticas, como los monopolos magnéticos. Los monopolos magnéticos son partículas elementales hipotéticas formadas por un imán aislado con un solo polo magnético.
Utilizando su telescopio de neutrinos de alta energía, la Colaboración IceCube ha establecido recientemente las restricciones más estrictas sobre los monopolos magnéticos relativistas hasta la fecha. Los resultados de su estudio, publicados en Physical Review Letters, subrayan el potencial de los telescopios de neutrinos para buscar partículas exóticas.
"Un monopolo magnético con una velocidad cercana a la de la luz (también llamado monopolo relativista) emitiría luz, llamada radiación Cherenkov, al atravesar el hielo donde está desplegado IceCube, dejando una firma muy distintiva en el detector: una pista recta muy brillante que cruza el detector", explica a Phys.org Carlos Pérez de los Heros, uno de los investigadores que ha realizado el estudio. "Nuestra idea original era buscar huellas muy brillantes en los ocho años de datos acumulados que tenemos del telescopio IceCube".
Las grandes teorías unificadas son un conjunto de teorías que describen la evolución del universo primitivo, sugiriendo que, en ese momento, todas las fuerzas conocidas estaban unificadas en una sola fuerza. Del mismo modo, hoy se supone que los diferentes efectos eléctricos y magnéticos se originan en una única fuerza, conocida como fuerza electromagnética. Entre otras cosas, las teorías de la gran unificación predicen la existencia de partículas con un solo "polo" magnético (es decir, monopolos).
"Actualmente, hay indicios, aunque no pruebas, de que las fuerzas fuerte y nuclear estaban unificadas con la fuerza electromagnética en el universo primitivo, y que se separaron como fuerzas diferentes a medida que el universo evolucionaba", dijo de los Heros. "Según estas teorías, los monopolos magnéticos deberían haberse creado junto con otra materia justo después del big bang".
Como los monopolos son teóricamente estables, un gas de monopolos relictos podría seguir impregnando el espacio en la actualidad, pero ningún telescopio los ha detectado hasta ahora. De los Heros y sus colegas esperaban que el telescopio IceCube pudiera finalmente permitir su detección.
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| Los monopolos magnéticos deben mostrar varias características distintas al atravesar IceCube. Esta ilustración muestra un evento típico de monopolo magnético en comparación con otros eventos típicos en el detector IceCube (volumen azul). Las líneas discontinuas representan las trayectorias de las partículas, y las áreas sombreadas alrededor de las trayectorias representan el patrón de luz emitido por los diferentes tipos de partículas. El código de colores (de rojo a verde) representa el momento de la producción de luz, de más temprano a más tarde. Crédito: Abbasi et al. (IceCube Collaboration) |
"El objetivo principal de nuestro análisis era descubrir un flujo cósmico de monopolos magnéticos, con la velocidad del monopolo en el rango de 0,75 a 0,995 veces la velocidad de la luz", dijo a Phys.org Alexander Burgman, otro investigador involucrado en el reciente estudio. "Ha habido varios análisis anteriores en busca de un flujo cósmico de monopolos magnéticos, tanto con datos de IceCube como con mediciones con otras instalaciones".
La colaboración IceCube ha publicado recientemente los datos recogidos por su telescopio de neutrinos de alta energía a lo largo de ocho años. Se trata de un tiempo de observación significativamente mayor que el considerado en anteriores búsquedas de monopolos, que es de alrededor de un año. En última instancia, el equipo espera que, combinados con herramientas avanzadas de análisis y reconstrucción de datos, estos datos les ayuden a detectar monopolos y otras partículas exóticas.
"En la física experimental, ninguna señal está completamente libre de ruido de fondo (señales de otros procesos que imitan lo que se busca), y nuestra búsqueda no fue una excepción", explicó de los Heros. "Aunque raramente, neutrinos muy energéticos procedentes de lugares lejanos del universo pueden interactuar cerca de IceCube y producir un muón (una partícula muy penetrante que se asemeja a un electrón pesado) que atravesará el detector. Estos muones también producen radiación Cherenkov en el detector (así es como IceCube detecta los neutrinos de alta energía) y pueden imitar la pista de un monopolo, aunque hay ligeras diferencias en el patrón de emisión de luz entre un muón y un monopolo".
El telescopio IceCube puede registrar unos 2.700 "eventos" de partículas por segundo. Estos eventos pueden ser causados por muones y neutrinos producidos en la atmósfera, por neutrinos de origen astrofísico y, potencialmente, por un monopolo magnético que atraviesa el detector.
"Inicialmente, determinamos algunas características que distinguirían un evento de monopolo magnético de los eventos regulares que vimos", dijo Burgman. "Estas incluyen la cantidad de luz que se detecta en el evento (los monopolos magnéticos producen mucha luz cuando se propagan a través del hielo) y la irregularidad de la salida de luz (los monopolos tendrían una salida de luz muy suave y uniforme a lo largo de su trayectoria)".
Como primer paso, los investigadores fueron capaces de rechazar la mayoría de los eventos comunes detectados por el telescopio IceCube simplemente basándose en su brillo. Posteriormente, entrenaron un algoritmo de aprendizaje automático para clasificar los "eventos" restantes como monopolo magnético o como neutrino, basándose en una serie de características relevantes.
"Utilizamos el aprendizaje automático combinado con simulaciones informáticas detalladas de la respuesta del detector a los monopolos y a los muones para entrenar al clúster informático de IceCube a distinguir entre las huellas de los muones y las de los monopolos", dijo de los Heros. "Cuando se completó el entrenamiento, se alimentó a los ordenadores con el conjunto de datos de ocho años (un total de 630.000 millones de eventos) con la esperanza de que identificaran uno o más monopolos en los datos".
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| Simulación de la detección de un monopolo magnético en el detector IceCube. Cada esfera representa un módulo individual de detección de luz - las esferas coloreadas representan módulos que detectaron luz, y las grises representan módulos que no lo hicieron. El tamaño de la esfera representa la cantidad de luz registrada, y el gradiente de color (de rojo a azul) representa el tiempo de detección del primer fotón registrado en ese módulo (de temprano a tarde). La línea roja representa la verdadera trayectoria del monopolo magnético. Crédito: Abbasi et al. (IceCube Collaboration) |
En sus análisis, de los Heros, Burgman y sus colegas de la Colaboración IceCube no detectaron ningún evento con las características que se asociarían a un monopolo magnético. No obstante, sus resultados les permitieron establecer un límite superior para el flujo de monopolo cósmico.
"Los resultados negativos también son importantes en física, ya que establecen restricciones que las teorías deben cumplir", dijo de los Heros. "En este caso, nuestros resultados nos dicen que el número de monopolos relativistas en el universo es inferior a un valor específico (aproximadamente 2x10-19 por cm2 de segundo y estereorradián, lo que corresponde a menos de 0,1 monopolos en un volumen como la Tierra en un momento dado). Si el flujo de monopolos relativistas hubiera sido mayor que eso, habríamos detectado algunos, porque nuestro análisis era sensible a un flujo mayor".
Las nuevas limitaciones establecidas por la colaboración de IceCube podrían tener importantes implicaciones para las teorías existentes que describen la evolución del universo primitivo. Más concretamente, sus análisis sugieren que el flujo de los monopolos magnéticos relativistas no puede ser superior al límite que han establecido.
"Nuestro estudio contribuye al panorama general de las búsquedas de monopolos magnéticos", dijo Burgman. "Aunque no hayamos encontrado ninguno, los resultados de nuestro estudio guiarán la próxima generación de búsquedas. Este tipo de estudios incrementales es una piedra angular para la investigación de fenómenos no observados previamente."
Sorprendentemente, el límite del flujo relicto de los monopolos relativistas establecido por de los Heros, Burgman y sus colegas es actualmente el más restrictivo que existe. Además de establecer este importante límite, su estudio demuestra la versatilidad y el amplio alcance de investigación del telescopio IceCube, así como de otros instrumentos similares. La colaboración de IceCube está buscando ahora monopolos con velocidades inferiores a las que buscaron en este trabajo reciente.
"No hay un rango de velocidad predicho favorito para los monopolos", añadió de los Heros. "Hemos buscado monopolos con velocidades cercanas a la de la luz (monopolos relativistas), pero la búsqueda continúa para monopolos más lentos". Por otra parte, a medida que IceCube recopila más años de datos, el límite que fijamos puede hacerse más estricto añadiendo más datos al análisis (si no se encuentra un monopolo)."
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