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» » La construcción de IceCube, la astronomía bajo el hielo de la Antártida

IceCube, es el telescopio de neutrinos más grande del mundo, con un detector que comprende un kilómetro cúbico de hielo, casi directamente bajo el Polo Sur. De forma similar a muchos otros detectores de neutrinos, el IceCube utiliza tubos fotomultiplicadores por pares a través de un medio transparente, en busca de bandas apenas visibles de la azulada radiación de Cherenkov, que son ondas de choque de partículas que se mueven más rápido que la luz cuando viajan en ese medio. Es lo que la mayor parte de estos detectores ven de fondo, pero, de vez en cuando, un energético neutrino colisiona con un núcleo atómico y produce un muón que va en la misma dirección, esta es la principal cantera para encontrar esos neutrinos que vienen de más allá del sol.

Francis Halzen, físico teórico de la Universidad de Wisconsin-Madison, y principal investigador de IceCube, comenta que su inspiración para este telescopio gigante le llegó a mediados de la década de 1980, mientras estaba en Hawai con otros teóricos, ideando formas de encontrar el quark cima. El proyecto llamado DUMAND (Deep Underwater Muon and Neutrino Detection) se había puesto en marcha en la costa de Big Island desde 1976, y él comenzó a interesarse.

"Desde la década de 1970, todos sabían que un telescopio de neutrinos, si tenía que ser efectivo, debía de tener por lo menos un kilómetro cúbico de volumen", comenta Halzen. "Los primeros detectores se ubicaron bajo el agua. Pero vi que DUMAND estaba realmente debatiéndose por sobrevivir" (de hecho, DUMAND fue cerrado en 1995). Halzen hizo entonces una sugerencia que ahora tacha como "los teóricos demuestran que son inteligentes": el medio adecuado para un telescopio de neutrinos es el hielo, dijo, entre otras cosas porque no te chapotea alrededor.

"La demostración de nuestra estupidez vino después", bromeó, una vez que se hizo evidente que las propiedades ópticas del hielo se entendían pobremente. "La gente había estudiado el hielo libre de burbujas en el laboratorio, pero no teníamos ni idea de lo que íbamos a encontrar allí". En 1992, Halzen se unió a Steve Barwick, Buford Price y otros, en la Universidad de California en Berkeley, para proponer un proyecto piloto llamado AMANDA (Antarctic Muon and Neutrino Detector Array) para la Fundación Nacional Científica. La intención era demostrar que un detector podía funcionar en los hielos del Polo Sur, de hacerlo, se incorporaría a la versión total de un kilómetro cúbico.

"Pronto nos percatamos de que AMANDA era demasiado superficial, que había demasiadas burbujas en el hielo", continuó Halzen. Un detector suficientemente sensitivo tendría que iniciarse a un kilómetro y medio por debajo de la superficie. No obstante, a esa profundidad, "el hielo se tornaba colosal, y tan claro que no se había previsto. Fuimos realmente afortunados".

La claridad de hielo era solamente una cuestión de AMANDA. Los profundos agujeros de perforación con agua caliente y las cuerdas de hundimiento de los tubos fotomultiplicadores, dentro de las esferas de vidrio resistentes a la presión, se tornaron especialmente difíciles cuando el diseño de la cuerda 19 de AMANDA comenzó a expandirse hacia la 86 de IceCube. Pero era un requisito previo de los mismos módulos ópticos y sus comunicaciones con la superficie.

El diseñador del detector, David Nygren, del Lawrence Berkeley National Laboratory, entre cuyas invenciones se incluye el Time Projection Chamber, utilizado en los colisionadores de alta energía de todo el mundo. Cuando el Super-Colisionador Superconductor en Waxahatchie, Texas fue cancelado en 1993, Nygren sintió que no tenía otra elección: ir a trabajar al CERN para el LHC o encontrar una nueva sede. Él recuerda la oportuna llamada de un amigo de Caltech, que le dijo: «David, tienes que participar en la astronomía de neutrinos".

Robert Stokstad, del Laboratorio de Berkeley, recuerda que "Dave se fue a una conferencia sobre neutrinos al sur de California, y yo me fui a una conferencia del Fermilab sobre detectores de rayos cósmicos. Comparamos nuestras notas, y nos pareció que los neutrinos de alta energía sería más divertido. "Después de coquetear con la idea de los detectores en el océano, frente a las costas del sur de California, el grupo del Laboratorio de Berkeley solicitó su adhesión de colaboración en AMANDA.

Al principio, los emisores de luz que llevaban los módulos de AMANDA sustituían la radiación Cherenkov, Nygren recuerda que tuvo suerte de que el LED azul ya se había inventado a finales de 1993. Al detectar un destello azul, el módulo a distancia enviaría una forma de onda analógica que se extendería o disminuiría, conforme se desplazaba por un cable coaxial hasta la superficie.

"Los siguiente fue intentar mejorar la señal con las fibras ópticas", señala Nygren. "Sin embargo, el agujero perforado con el agua caliente se congelaba desde arriba hacia abajo, y empezaba a empujar las cosas a su alrededor. Las fibras ópticas eran demasiado frágiles, por no hablar que demasiado caras."

La alternativa más robusta era un par de hilos de cobre trenzados, pero las señales analógicas se degradan mucho durante el lento viaje a la superficie. Llamamos a esto "tecnología disruptiva", cuenta Nygren: la onda debía ser digitalizada antes de salir del módulo óptico.

El estudiante de Berkeley, Stuart Kleinfelder, que trabajaba en su tesis para un master en Berkeley Lab's Engineering Division, había adaptado un digitalizador que había ideado, para cámaras de proyección por tiempos: el resultado fue un circuito integrado que podía digitalizar una onda analógica en un muestreo de tres cortes por nanosegundo. Usaba varios canales a la vez, y recuperaba una cantidad de información sin precedentes. Y además, operaba a muy baja potencia.

Con la ayuda del ingeniero Jerry Przybylski y otros, la innovación del chip de Kleinfelder creció hasta convertirse en el módulo óptico digital (DOM) . En el año 2000, un año después de que Halzen propusiera el IceCube completo, los 41 DOM fueron probados en una de las cuerdas finales de AMANDA, la celebrada cuerda 18 del IceCube que funcionó mejor de lo previsto.

Para optimizar el torrente de datos de los digitalizadores, los relojes de los DOM tuvieron que ser todos sincronizados con la matriz. Stokstad elevó el "pulso activo de reciprocidad", con el envío de pulsos a todos los DOM varias veces por segundo, de forma que cada DOM fuese digitalizado y enviado de regreso a la superficie. Entre otras ventajas, esto permite que la intensidad y los tiempos de llegada de la luz Cherenkov de una partícula, que se va moviendo por todo el hielo, pueda resolverse en dos nanosegundos, aunque la conexión de un sólo DOM a la superficie sea de 2,5 kilómetros de cable de teléfono.

Muchos socios de AMANDA se encontraban a bordo IceCube durante el tiempo de construcción que se inició en los inviernos de 2004/2005, incluso las más acérrimas expectativas de alemanes y suecos, y muchos de los desafíos técnicos, se habían cumplido. No obstante, las primeras temporadas estuvieron al borde del abismo.

"Yo estaba seguro de que el fallo estaba en nuestras manos", relata Halzen. "Habíamos diseñado IceCube bajo el supuesto de que podría perforar un agujero de dos kilómetros y medio de profundidad en dos días. La primera temporada se perforó un solo agujero". Dado el corto verano antártico, y los planes de alcanzar el Polo Sur en poco menos de cuatro meses al año, la construcción del IceCube a esa velocidad nos habría llevado más de un cuarto de siglo.

La tasa de captación, tal como el equipo mantuvo la perforación, testeando DOM, montando cuerdas, y consiguiendo bajarlo al agujero antes de que el agua se congelara. "La coordinación de todas las diferentes cosas que tienen que suceder en el momento adecuado parece en realidad la coreografía de un ballet", añadió. Al final de los seis años de su período de construcción, IceCube ha ido perforando e instalando tres cuerdas a la semana. "La única diferencia real de cuando lo iniciamos, fue la experiencia de los perforadores."

El IceCube y AMANDA han recogido datos significativos a lo largo de su construcción, pero el detector completo abre un rango de energías nuevas, de todo, desde los eventos más explosivos del universo hasta la fría materia oscura que acecho en el corazón del sol. El módulo 86 del IceCube y la cuerda final se introdujeron en el hielo el 18 de diciembre de 2010.
  • Referencia: SymmetryBreaking.org, 8 de marzo 2011 por Paul Preuss
  • Más información:
  • - “IceCube: An instrument for neutrino astronomy”, por Francis Halzen y Spencer R. Klein.
  • - IceCube completed, comunicado de prensa de la Universidad de Wisconsin.
  • - Ice Cube completed, comunicado de prensa de Berkeley Lab .
  • - Página web de IceCube .
  • Imagen: 1) Una cuerda de los Módulos Ópticos Digitales (DOM), que son los dispositivos que el IceCube utiliza para detectar ondas de choque de las partículas en entran en el hielo. 2) Módulo óptico digital (DOM) del IceCube. Crédito fotos de R. Schwarz en IceCube.

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