Adaptado de "Buscando Neutrinos Extraterrestres con IceCube"
INSTRUCCIONES: Esta página explica en qué consiste el taller. Cuando tengas que realizar una actividad, vendrá indicado en azul. Cuando tengas que contestar a una pregunta, vendrá indicado en rojo. Se recomienda que los estudiantes trabajen en grupos de dos personas.
¿Qué "ve" nuestro detector"
Cuando una partícula con carga electromagnética atraviesa el agua o el hielo, produce una luz azul conocida como radiación de Cherenkov. Como hemos visto en la presentación, IceCube es capaz de detectar neutrinos muy energéticos, debido a la luz emitida por el leptón que se crea cuando el neutrino choca con el hielo. Esta luz es captada por una especie de cámaras llamadas foto-multiplicadores y se crea una imagen que los físicos llamamos "evento". Lo difícil es distinguir la luz que proviene de un neutrino ("señal") de la luz que proviene de otra partícula con carga electromagnética ("ruido de fondo").
IceCube detecta unos 75 neutrinos al día y en su mayoría, son neutrinos producidos cuando los rayos cósmicos chocan con las partículas de los gases que forman la atmósfera terrestre. Tras este choque, se crean nuevas partículas que pueden decaer en neutrinos.
Otros neutrinos que llegan a la Tierra son producidos en el Sol, por ejemplo. Sin embargo, de todos los neutrinos detectados por IceCube, sólo uno al mes proviene de lugares más lejanos que nuestro sistema solar y tienen una energía mucho mayor que los neutrinos producidos en el Sol.
La imagen grabada en el detector y la cantidad de luz captada por las cámaras depende de la energía de la partícula que atraviesa el detector. Cuanta más energía tenga el neutrino, más luz producirá en el detector.
ACTIVIDAD 1: Intenta adivinar qué columna con parejas de imágenes se corresponde con imágenes de un neutrino extraterrestre ("señal") o de otro tipo de partícula ("ruido de fondo") haciendo click aquí. Cuando hayas pensado en tu respuesta, haz click en "Reveal signal" para saber si has acertado o no. ¿Son las imágenes muy diferentes?
- ¿Que tipos de señales reconocen?
- ¿Cómo podemos identificar los neutrinos que vienen de más allá del sistema solar?
El primer paso es distinguir los neutrinos de otras partículas con carga detectadas en IceCube. Para ello, debemos asegurarnos de que el haz de luz se crea dentro del detector y no viene de fuera. Esto quiere decir que un neutrino ha entrado en el detector y ha creado un leptón al chocar con el hielo.
Por otro lado, como ya sabemos, los neutrinos creados fuera del sistema solar tienen mucha más energía que los neutrinos creados en la atmósfera. Por lo tanto, para asegurarnos de que hemos detectado un neutrino extraterrestre necesitamos que se cumplan dos condiciones:
1) Que la luz se origine en el interior del detector ("passes veto").
2) Que el neutrino deje suficiente energía ("passes charge cut").
ACTIVIDAD 2: Clasifica los 24 eventos que encontrarás aquí. Para pasar el veto la luz se tiene que crear dentro del detector. Para pasar el corte de carga se necesita que la carga total grabada por el detector sea mayor que 6000 pe.
Este mismo ejercicio lo hicieron físicos que trabajan en el experimento IceCube. Tras clasificar los distintos eventos, de los pocos millones de sucesos detectados en IceCube entre Mayo de 2010 y Mayo de 2013, se encontraron 37 neutrinos de muy alta energía. Sólo se seleccionaron aquellos sucesos que empezaban en el detector (pasaron el veto) y para los que la energía reconstruida era de por lo menos 30 TeV (pasaron el corte de carga). Estos son los eventos que te dispondrás a analizar.
ACTIVIDAD 3: Dirígete a esta página web y haz click en "IC 86 - Year 2" y luego en "Start drawing". Selecciona los 5 eventos con mayor energía y apunta sus nombres. Después, vuelve a la página anterior y haz click en "check selection". ¿Cuántos has acertado?
Con estos datos, vamos a intentar responder a dos preguntas:
1) ¿Se produjeron estos neutrinos más allá de nuestro sistema solar?
2) ¿Podemos localizar exactamente de dónde vienen estos neutrinos?
ACTIVIDAD 4: Observa los distintos eventos con más detalle haciendo click aquí y apunta el nombre, la energía y la declinación del neutrino más energético.
Ya sabemos las características más importantes de los neutrinos observados. Con esta información podemos comparar estos datos con las predicciones teóricas. Los datos que la teoría predice se obtienen mediante simulaciones de los procesos que producen diferentes tipos de neutrinos. De esta manera, estamos comparando lo que hemos observado con lo que lo que esperamos observar. A la hora de realizar esta comparación, podemos elegir analizar sólo los eventos que ocurren por encima de la energía en la que esperamos tener menos ruido de fondo. En los análisis experimentales, esto se conoce como "un corte de energía” y nos ayuda a entender mejor la señal en la que estamos interesados.
ACTIVIDAD 5: Haz click aquí para comparar los neutrinos observados con las simulaciones. En la gráfica de la izquierda verás el número de neutrinos que se han observado y simulado a cada energía. En la gráfica de la derecha tienes el número de neutrinos que se han observado y simulado a distintas declinaciones con respecto al plano ecuatorial. Recuerda, una declinación negativa significa que el neutrino viene desde el hemisferio sur y una declinación positiva significa que el neutrino viene desde el hemisferio norte. Observa cómo cambia la inclinación de los neutrinos cuando cambias la energía de corte. ¿Cuál es la energía de corte necesaria para que los datos observados se parezcan más a las simulaciones? Escribe la energía de corte que has elegido en la pregunta sexta del formulario. Con los datos observados en el detector y basándote en la gráfica de la derecha, ¿crees que se puede saber con seguridad si hay un gran número de neutrinos observados a una declinación en particular? Contesta a esta pregunta en la séptima pregunta del formulario. ¿Qué crees que esto significa?
¡Enhorabuena! Has conseguido reproducir el análisis realizado por científicos de IceCube que fue publicado en la revista Science en Noviembre del 2013. No os olvidéis de hacer click en "Listo" en el formulario para enviar vuestras respuestas.
Ahora hablaremos de las conclusiones más importantes de este análisis.
Si te atreves, puedes realizar este pequeño test para ver cuánto has aprendido sobre los neutrinos y el detector IceCube.
