En el hielo: Completar el IceCube Neutrino Observatorio 17 -

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En el hielo: Completar el Observatorio IceCube Neutrino

IMAGEN: El observatorio de neutrinos IceCube está diseñado para que 5.160 sensores ópticos ver un kilómetro cúbico de hielo transparente del Polo Sur.

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El sábado 18 de diciembre, el Observatorio de Neutrinos IceCube se hundió el último de 86 cuerdas de fotodetectores sensibles a una profundidad de casi dos kilómetros y medio en el hielo en el Polo Sur, que marca la finalización de la enorme telescopio de neutrinos.

"Con la finalización de IceCube, la década de 1970 el sueño de construir un detector de neutrinos kilometros escala se ha convertido finalmente en una realidad", dice Francis Halzen, profesor de física en la Universidad de Wisconsin-Madison y el investigador principal de la Colaboración IceCube. "Finalmente la ciencia puede comenzar con un instrumento estable que ya produce neutrinos con la energía y las estadísticas sin precedentes."

Los miembros de la Colaboración IceCube celebraron el acontecimiento en el Polo Sur y en todo el mundo, en alrededor de 40 instituciones afiliadas ubicadas en los EE.UU., Alemania, Bélgica, Suecia, Barbados, Canadá, Japón, Nueva Zelanda, Suiza y el Reino Unido. IceCube es apoyado en gran parte por la National Science Foundation y dirigido por la Universidad de Wisconsin-Madison. El Departamento del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley de la Energía de EE.UU. ha sido un contribuidor importante al diseño y construcción de sus componentes clave.

En construcción desde 2004, IceCube encierra un kilómetro cúbico de hielo transparente, a partir de un kilómetro y medio bajo la superficie y se extiende hacia abajo otro kilómetro. El telescopio tiene que ser grande, porque las colisiones de neutrinos con la materia son extremadamente raros: Fuera de incontables trillones de neutrinos constantemente pasan a través del hielo, IceCube observará sólo unos pocos cientos al día.

Al verlos en absoluto sólo es posible porque cuando los neutrinos chocan con los núcleos de los átomos de oxígeno en el hielo, se convierten en partículas energéticas cargadas llamadas muones, moviéndose en la misma dirección. Debido a que estos muones (y otros desechos de la colisión) se están moviendo más rápido que la luz puede viajar a través del hielo, irradian una onda de choque de la radiación Cherenkov azul visible para fotodetectores de IceCube.

IMAGEN: Este es un dibujo esquemático de un módulo óptico digital.

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La captura de los neutrinos con módulos ópticos digitales

Sesenta detectores de baloncesto de tamaño se montan en cada cadena IceCube. Llamado Módulos Optical Digital (DOM), sus piezas ópticas son tubos fotomultiplicadores (PMT) que detectan y amplifican la radiación Cherenkov pasen muones. Electrónica convierten las señales PMT a formato digital. Los EGP y tarjetas de circuitos se alojan juntos en recipientes a presión de vidrio transparente.

Módulos ópticos digitales fueron desarrollados originalmente en Berkeley Lab. En 1997 dos prototipos fueron construidos por el Jet Propulsion Laboratory y se instalan en la matriz AMANDA (predecesor de IceCube) en el Polo Sur. La Universidad de Wisconsin, la institución líder en la colaboración AMANDA, fue pionera en las técnicas de perforación de agua caliente que hicieron cuerdas profundas de hielo de los sensores de práctica.

Berkeley Lab y la Universidad de Wisconsin trabajaron conjuntamente con otras instituciones para el diseño y construcción de cordaje 18, una sola cadena de 40 departamentos de ultramar prototipo instalado en AMANDA en 2000. Robert Stokstad y David Nygren de Ciencia Nuclear del Laboratorio de Berkeley y de las divisiones de física desarrollados y defendieron la idea de módulos ópticos digitales y condujeron la operación de cuerdas 18, con el ingeniero de la División de Física Jerry Przybylski haciendo gran parte del trabajo de hardware. Su excelente rendimiento como resultado la tecnología DOM ser seleccionado para IceCube.

Electrónica integradas de Berkeley Lab han actuado con asombrosa fiabilidad. El noventa y ocho por ciento de los más de 5.000 departamentos de ultramar de IceCube está trabajando perfectamente, y otro uno por ciento están disponibles - tranquilizador números, teniendo en cuenta que los departamentos de ultramar ahora congelados en el hielo nunca se les volvió a ver.

"Los departamentos de ultramar no son más accesibles que un satélite espacial en órbita alta", dice Spencer Klein, jefe de grupo del Laboratorio de Berkeley para la astronomía de neutrinos ", pero son mucho más confiable y extremadamente robusto. También están realizando especificaciones muy superiores, que gritó para que sean capaces de resolver la sincronización de los flashes de radiación Cherenkov en cinco nanosegundos "- cinco mil millonésimas de segundo. "En cambio, la resolución de tiempo es de aproximadamente dos nanosegundos."

Para lograr esta asombrosa resolución los departamentos de ultramar utilizan circuitos integrados, diseñados en el laboratorio de Berkeley, para muestrear las señales PMT 300 millones de veces por segundo y convertir cada muestra en un valor digital. Fichas digitalizador comerciales no podían utilizarse debido a las limitaciones de potencia, ya que el combustible para alimentar IceCube (y todo el trabajo en el Polo Sur) deben ser llevados desde 900 millas de distancia en los aviones de esquí-equipada, e incluso el adjudicarán cinco vatios de potencia por DOM requiere 10 aviones llenos de combustible al año.

En un laboratorio en la superficie del hielo, las señales de DOM en muchas cadenas diferentes se combinan en un solo flujo de datos, que se analiza para determinar la dirección y la energía de los eventos de neutrinos que dejaron sus pistas. Para separar las señales de neutrinos de eventos de fondo mucho más abundantes, la discriminación más importante es si la señal viene desde arriba o por debajo. Los muones se mueven hacia arriba a través IceCube deben proceder de neutrinos que han pasado por la Tierra. Muones a la baja-en curso que se producen cuando los rayos cósmicos chocan contra el hielo son un millón de veces más numerosos.

IMAGEN: Una pista simulada de un neutrino de alta energía que se mueve hacia arriba a través IceCube. Los círculos representan Módulos Optical Digital, y su tamaño representa la cantidad de luz que detectan la radiación Cherenkov ....

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Un fondo más pequeño viene de neutrinos producidos cuando los rayos cósmicos chocan contra la atmósfera de la Tierra. Para evitar esta situación, los experimentadores buscan un conjunto de eventos de neutrinos procedentes de la misma dirección en el espacio, o por un exceso de neutrinos muy energéticos; la mayoría de los neutrinos atmosféricos son de menor energía.

Una corriente constante de resultados desde el cielo de neutrinos

Aunque IceCube sólo ha sido ahora completamente desplegada, los resultados científicos han fluido desde el proyecto a lo largo de su construcción, incluyendo la superposición con la investigación de Amanda.

Logros significativos incluyen un mapa de todo el cielo de neutrinos, a partir de un solo año de datos utilizando sólo la mitad de toda la gama, incluyendo decenas de miles de alza-que van y hacia abajo-que van eventos de neutrinos. Los orígenes de estos eventos se distribuyen al azar a través del cielo; el mapa revela que no hay puntos calientes, pero sigue siendo la búsqueda más sensible para las fuentes puntuales de neutrinos ya hecha.

Una búsqueda más sensible para los neutrinos extraterrestres difusas contempla diferentes "sabores" (tipos) de los neutrinos, los relacionados con los electrones, muones, o partículas tau. Cuando los neutrinos de tipo electrón interactúan en el hielo de la Antártida, que producen una lluvia compacta de partículas - casi una fuente puntual, cuando se ve en IceCube. Una de las ventajas de buscar neutrinos electrónicos es que el fondo de neutrinos atmosféricos es mucho menor. También, IceCube puede medir su energía con precisión. Este tipo de búsqueda requiere técnicas de análisis de datos muy diferentes a los utilizados en otras partes de IceCube. Joanna Kiryluk de la División de Ciencia Nuclear del Laboratorio de Berkeley ha hecho esa búsqueda, y, al no encontrar una señal clara, se ha fijado un límite en el número de neutrinos electrónicos cósmicos que pueden existir.

IceCube también ha medido el espectro de energía de los neutrinos de tipo muón se ha observado, de los que tienen una energía de 100 mil millones de electrones voltios hasta 400 billón de electrón-voltios. Hasta el momento, el espectro es consistente con los neutrinos de los rayos cósmicos en la atmósfera de la Tierra. Si un componente adicional e inesperada de muy neutrinos de alta energía se encontrara, podría señal de neutrinos de origen extraterrestre.

IceCube ha buscado neutrinos emitidos al mismo tiempo que las explosiones de rayos gamma - los eventos más violentos del universo, probablemente causado cuando un agujero negro choca con una estrella de neutrones o cuando una estrella 100 veces más masiva que nuestro Sol se derrumba - y mientras ninguna fuente de neutrinos de rayos gamma-burst se ha identificado positivamente, la búsqueda ha puesto límites sobre los posibles modelos teóricos de la emisión de neutrinos procedentes de estos eventos.

Los neutrinos como pistas para la materia oscura acumulada

Uno de los más interesantes resultados IceCube hasta ahora es un límite sobre la posible acumulación de partículas de materia oscura en el sol. Sobre la base de los datos tomados con los primeros 22 cuerdas de DOM, IceCube establece un límite en el número de neutrinos de alta energía que podría estar llegando desde el sol. Esto a su vez establece límites a la posible acumulación y posterior aniquilación de materia oscura en el interior del sol.

La materia oscura es oscura porque no interactúa electromagnéticamente - la única fuerza que se debe sentir es la gravedad. Aunque se han propuesto muchos tipos de materia oscura, ninguno de ellos ha sido encontrado; partículas llamadas neutralinos son una posibilidad probable. Como la más ligera de las partículas masivas de interacción débil (las llamadas WIMPs), neutralinos se sienten la fuerza nuclear débil, además de la gravedad, sin embargo, la materia sería casi transparente para ellos (como lo sería para todas las partículas de materia oscura propuestas). Así podían recoger dentro de los objetos masivos como la Tierra y el sol. Y puesto que son sus propias antipartículas, cuando colisionan se aniquilan y emiten neutrinos energéticos. Pero IceCube no ha visto los neutrinos de alta energía procedentes del Sol, que establece límites estrictos sobre la posible acumulación de neutralinos y algunos otros tipos de materia oscura allí.

En 2009 la colaboración IceCube, diseñado originalmente para 80 cadenas de departamentos de ultramar, decidió agregar un adicional de seis cuerdas con el centro de la matriz. En estas cadenas de los departamentos de ultramar se colocan en intervalos de siete metros, con las cuerdas a unos 70 metros de distancia. Esta matriz más densa "de relleno", llamado Deepcore, será capaz de detectar neutrinos con energías por debajo del alcance de la matriz principal y se extenderá la sensibilidad del IceCube a otros tipos de materia oscura. La nueva gama también permitirá a los investigadores estudiar la oscilación de neutrinos, que mide cómo los neutrinos cambian sabores a medida que viajan a través de la Tierra.

IceCube es un observatorio único del cielo neutrino. Estudiará neutrinos creados en la alta atmósfera y la búsqueda de neutrinos creados en las explosiones de rayos gamma, los núcleos galácticos activos, la interacción de los rayos cósmicos con la radiación de fondo del universo, y la aniquilación de partículas de materia oscura.

Dice Spencer Klein, "Estos resultados de la física son sólo una muestra de las cosas que podemos esperar de IceCube ahora que está completo. Después de más de una década de trabajo, los investigadores de Berkeley Lab ya pueden disfrutar plenamente de los frutos de su trabajo, y están esperando una cosecha abundante de la física. "

Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley es un laboratorio nacional del Departamento de Energía de EE.UU. administrado por la Universidad de California para la Oficina de Ciencia del DOE. Berkeley Lab ofrece soluciones a los retos científicos más urgentes del mundo, incluida la energía sostenible, el cambio climático, la salud humana, y una mejor comprensión de la materia y la fuerza en el universo. Es líder mundial en la mejora de nuestras vidas a través de la ciencia del equipo, computación avanzada y tecnología innovadora. Visite nuestro sitio Web enhttp :/ / www.lbl.gov.