“Esta mañana, por alguna razón, me desperté a las 5:30 y lo primero que hice fue entrar a la página del New York Times para ver los titulares”, cuenta Juan Carlos Díaz Vélez. “Para mi gran sorpresa, apareció la noticia de última hora: acababan de otorgar el Premio Nobel de Física a Francis Halzen. De inmediato empecé a enviar mensajes, solo para descubrir que mis colegas en Europa se habían enterado mucho antes que yo”.
Juan Carlos Díaz Vélez es un científico mexicano que trabaja en el Centro de Astrofísica de Partículas IceCube de Wisconsin (WIPAC, por sus siglas en inglés) de la Universidad de Wisconsin-Madison (en Estados Unidos). Su jefe, Francis Halzen, había sido galardonado esa mañana con el Nobel “por sus contribuciones decisivas al Observatorio de Neutrinos IceCube y el descubrimiento de neutrinos de alta energía de origen astrofísico”. Vaya noticia.
“Al llegar a las oficinas de WIPAC, todo el mundo estaba sonriendo y felicitándose”, afirma Díaz Vélez en entrevista con WIRED en Español. “Nos reunimos en la sala de juntas para ver la conferencia de prensa con Francis Halzen, quien en ese momento se encontraba en Italia asistiendo a un congreso. Vamos a esperar su regreso para celebrar y, mientras tanto, seguimos trabajando en el estudio de los neutrinos, porque este trabajo nunca termina”.
¿En qué consiste ese trabajo exactamente? Tras el anuncio del Comité Nobel de Física, el público ya sabe que IceCube es un observatorio de neutrinos, pero ¿qué es un neutrino exactamente?
¿Qué son los neutrinos?
“Los neutrinos son partículas subatómicas que participan en las reacciones nucleares dentro de los núcleos de los átomos. Se producen por la radiactividad en la Tierra, e incluso en las sandías y los plátanos, por su contenido de potasio-40, y también en nuestro propio cuerpo”.
Tal como su nombre lo indica, los neutrinos no tienen carga eléctrica, por lo que pueden viajar por el espacio en línea recta sin ser afectados por campos magnéticos. Díaz Vélez expone que estas partículas no interactúan fácilmente con la materia, por lo que pueden atravesar la Tierra entera sin interactuar con un solo átomo. “Los neutrinos del Sol son tan abundantes que mil millones de ellos atraviesan la uña de un pulgar cada segundo”.
Los neutrinos que estudia el equipo liderado por Halzen son de muy alta energía y provienen de distancias muy lejanas. Es posible que estas partículas cósmicas tengan su origen en los remanentes de supernovas o incluso en los agujeros negros, “que tienen campos magnéticos muy intensos en los que se aceleran partículas como protones y núcleos de átomos a energías muy altas”.
Añade: “Estas partículas, al chocar con el medio interestelar, que consiste en gas y plasma, producen rayos gamma y neutrinos. Por eso los neutrinos son perfectos mensajeros de las fuentes de rayos cósmicos de alta energía. Las fuentes de neutrinos de más alta energía que hemos detectado provienen de núcleos activos de galaxias, que contienen agujeros negros supermasivos”.
Así son las "trampas" experimentales para cazar a los fantasmagóricos neutrinos
La búsqueda de estas partículas fantasmales ha requerido algunos de los montajes experimentales más audaces jamás construidos.
¿Qué es IceCube?
Situado en la base Amundsen-Scott, justo en el polo sur geográfico, el Observatorio de Neutrinos IceCube consiste, explica Díaz Vélez, en un arreglo de 5,160 sensores ópticos enterrados en las profundidades, abarcando un kilómetro cúbico de hielo. “El glaciar del polo sur es muy transparente a 1.5 km de profundidad, por lo que los sensores pueden captar la luz que producen unas partículas subatómicas llamadas muones, los cuales se generan como resultado de las poco frecuentes interacciones de neutrinos con átomos del hielo”.
Díaz Vélez tuvo la oportunidad de ir a la Antártida en 2010 para participar en las labores de construcción de IceCube. “Fue una aventura inolvidable”. El observatorio inició operaciones al año siguiente.
¿Cuáles han sido los grandes logros de IceCube en estos 16 años? El primer gran hallazgo de este proyecto fue la detección de neutrinos procedentes de fuentes astrofísicas, es decir, generados por objetos situados fuera de nuestro sistema solar. Posteriormente, se identificó a los núcleos activos de galaxias (AGN, por sus siglas en inglés) como fuentes de estos neutrinos. Uno de los descubrimientos más destacados fue TXS 0506+056, localizado en colaboración con diversos observatorios de rayos gamma, ópticos y de radio mediante lo que se conoce como estudios multimensajero. Se trata de un blazar de alta energía que alberga un agujero negro supermasivo. A partir de este hallazgo, buscaron otros objetos de características similares y confirmaron que esta clase de fuentes es capaz de producir neutrinos de alta energía. Más recientemente, han podido observar la Vía Láctea como una fuente difusa de neutrinos.
Además de sus aportaciones a la astronomía de neutrinos, IceCube ha contribuido de manera importante a comprender mejor la naturaleza y el comportamiento de estas partículas. Por ejemplo, se conocen tres tipos diferentes de neutrinos y, gracias al trabajo de Takaaki Kajita y Arthur B. McDonald (reconocidos con el Premio Nobel de Física de 2015), se sabe que pueden transformarse de un tipo a otro mientras se desplazan. IceCube ha permitido realizar mediciones cada vez más precisas de este fenómeno.
“Otra área de investigación es la de los rayos cósmicos, que es en la que me enfoco”, señala Díaz Vélez. “Hemos descubierto que no provienen uniformemente de todas las direcciones, sino que hay direcciones preferenciales, y esto nos informa sobre la distribución de sus fuentes en la galaxia”. El científico indica que los rayos cósmicos consisten en protones y núcleos de átomos más pesados, y constituyen un fondo muy alto en los datos de IceCube.
IceCube: colaboración internacional
Como coordinador de productos de datos de la colaboración IceCube, Juan Carlos Díaz Vélez supervisa el procesamiento de datos experimentales y la producción de simulaciones. ¿Qué es lo que eso implica? “Mi papel principal dentro de IceCube consiste en coordinar a un grupo de científicos en el procesamiento de los datos de IceCube. Esto implica calcular la dirección de arribo, la energía y el tipo de partícula detectada cada 2 milésimas de segundo. Para hacerlo, también es necesario simular rayos cósmicos y neutrinos con tasas comparables. Ambas tareas requieren redes de cómputo de alto rendimiento distribuidas alrededor del mundo, que suman aproximadamente 10,000 núcleos de CPU y 1,000 GPU”.
El investigador apunta que IceCube es una colaboración internacional de 450 personas en 58 instituciones distribuidas en 14 países. “El centro de operaciones de IceCube, donde yo trabajo, está en la Universidad de Wisconsin–Madison. El número de latinoamericanos dentro de la colaboración es de alrededor de 25”.
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Díaz Vélez obtuvo su doctorado en Ciencias Físico-Matemáticas en la Universidad de Guadalajara. Es miembro y cocoordinador del grupo de rayos cósmicos del Observatorio de Rayos Gamma de Agua Cherenkov de Gran Altitud (HAWC), ubicado en el flanco norte del volcán Sierra Negra (Puebla, México), donde hizo su trabajo doctoral. Hasta la fecha, como parte de su trabajo, continúa visitando el laboratorio para realizar labores de mantenimiento y monitoreo del detector.
“Como cocoordinador del grupo de rayos cósmicos, comparto labores con mi colega y tocayo Juan Carlos Arteaga para organizar y coordinar los avances de los diversos estudios sobre rayos cósmicos que realizan varios investigadores, muchos de ellos estudiantes de maestría y doctorado”, explica el especialista.
Ahora, el Premio Nobel arroja un nuevo foco de atención sobre el trabajo que realizan Díaz Vélez y sus colegas en WIPAC y en otros proyectos que estudian rayos cósmicos. Si bien el galardón solo lleva el nombre de un científico, detrás de ese nombre está el trabajo de cientos de colegas. “Cabe mencionar que Francis es una gran figura y un líder, pero también una persona muy amigable y generosa”, indica Díaz Vélez. “En general, lo vemos más como un colega que como un jefe. En realidad, de no ser por su pasión y dedicación, este experimento nunca se habría logrado”.
