La setmana passada es van anunciar els premis Nobel d’enguany, entre els quals el de Física. Aquest any ha estat concedit, en solitari, a Francis Halzen (Tienen, Bèlgica, 1944). La Reial Acadèmia Sueca de Ciències li ha concedit el premi per les seves contribucions decisives a l'Observatori de Neutrins IceCube i al descobriment de neutrins d'alta energia d'origen astrofísic.
Francis Halzen és un física teòric que treballa a la Universitat de Wisconsin-Madison als EUA. A finals de la dècada de 1980, va tenir la visió de concebre, impulsar i dirigir un gran experiment per detectar neutrins d’origen còsmic, una cosa poc habitual per un físic teòric. La idea principal era convertir un quilòmetre cúbic de gel natural de l’Antàrtida en un detector de partícules. Però aquest quilòmetre no comença a la superfície sinó a 1450 metres de profundidat i s’estén fins als 2450 metres. Per fer-nos una idea de la magnitud del projecte, només hem de pensar que la torre Eiffel de París te una alçada d’uns 330 metres. Per tant, el detector equival a tres torres Eiffel apilades, i la seva part superior queda enterrada a una profunditat de més de quatre torres. Halzen és l’investigador principal des del 2001, molt abans del començament de les operacions científiques al 2011, la qual cosa demostra el seu lideratge d’un projecte que és una proesa d’enginyeria. Les dificultats d’aquest tipus de projecte mai es poden subestimar: convèncer la comunitat científica i liderar-la, persuadir polítics i responsables institucionals, aconseguir el finançament necessari i vetllar perquè el projecte es desenvolupi amb èxit.
La idea principal era convertir un quilòmetre cúbic de gel natural de l’Antàrtida en un detector de partícules
Però anem pas a pas. Què és un neutrí? És una partícula subatòmica que va proposar el 1930 el físic austríac Wolfgang Pauli, un teòric tan pur que, segons la llegenda, quan s’acostava a un laboratori els experiments deixaven de funcionar (s’anomena l’efecte Pauli). L’objectiu de Pauli era resoldre el trencaclosques que presentava l’aparent manca de conservació de l’energia, una llei fonamental a la física, en la desintegració de certs àtoms. Pauli va proposar una partícula molt lleugera, sense càrrega elèctrica i que gairebé no interacciona amb la matèria, s’enduia l’energia que faltava. Poc després, el cèlebre físic Enrico Fermi la va batejar amb el nom de neutrino en italià. Avui sabem que el neutrí té massa, encara que molt petita.
Els neutrins són les partícules més abundants de l’univers després del fotons. Al Sol es produeixen quantitats enormes, billions dels quals travessen el nostre cos cada segon sense deixar rastre. Per tot això, són extremadament difícils de detectar. De fet, el primer neutrí va ser detectat per primera vegada per Clyde Cowan and Frederick Reines al 1956, prop d’un reactor nuclear, més de 25 anys després de la predicció de Pauli. Malauradament, només Reines va rebre el premi Nobel el 1995: Cowan havia mort el 1974 i el premi no es concedeix a títol pòstum.
Llavors, per què és interessant detectar neutrins? Precisament perquè la seva naturalesa fantasmal els converteix en missatgers còsmics perfectes. La llum pot ser bloquejada per la pols o el gas interestel·lars, però els neutrins viatgen directament cap a nosaltres des dels llocs més llunyans del cosmos. En això s’assemblen a les ones gravitacionals, que també travessen l’univers pràcticament sense obstacles. En tots dos casos, la mateixa propietat és alhora un avantatge, perquè ens porten informació intacta de l’univers llunyà, i un inconvenient, perquè són molt difícils de detectar.
Per què és interessant detectar neutrins? Precisament perquè la seva naturalesa fantasmal els converteix en missatgers còsmics perfectes
En aquest punt, mencionaré una anècdota personal. Després de deu anys treballant a l’estranger, vaig tornar a l’Institut de Ciències de l’Espai del CSIC, i el 2009 vaig començar a participar en una assignatura de tècniques d’observació en astronomia al màster en Física d’Altes Energies, Astrofísica i Cosmologia de la Universitat Autònoma de Barcelona. Hi explicava els fonaments de l’astronomia de neutrins d’alta energia i de l’astronomia d’ones gravitacionals, dues disciplines que encara esperaven el seu primer senyal. Era per tant un professor que ensenyava a observar coses que ningú havia vist mai. Però el 2013 IceCube va anunciar les primeres deteccions de neutrins còsmics, i el 2015 l’observatori nord-americà LIGO va detectar per primera vegada ones gravitacionals (el descobriment es va anunciar el 2016 i va rebre el Premi Nobel de Física el 2017). A partir d’aquell moment vaig passar d’explicar una matèria gairebé etèria a ensenyar les dues noves astronomies del segle XXI.
Com ha pogut IceCube detectar neutrins còsmics? Els científics van aprofitar el que la natura ja oferia: el gel que hi ha sota el Pol Sud. Des de la superfície, van fondre amb dolls d’aigua calenta 86 forats d’uns dos quilòmetres i mig de profunditat, i hi van fer baixar cables amb sensors de llum de la mida d'una pilota de bàsquet abans que l'aigua es tornés a congelar. En conjunt, els sensors vigilen un quilòmetre cúbic de gel antic, extremadament transparent i completament fosc. Llavors, quan un neutrí xoca ocasionalment amb un àtom del gel, la col·lisió allibera partícules carregades que es mouen més de pressa que la llum a dins del gel (això no contradiu Einstein ja que la velocitat de la llum dins del gel és inferior que en el buit). Aleshores, aquestes partícules emeten una feble resplendor blava, anomenada llum de Txerenkov, una mica semblant al bang sònic d'un avió supersònic però fet de llum. Els sensors registren quan els arriba aquest flaix i amb quina brillantor. A partir d'aquest patró els científics determinen la direcció d'on prové el neutrí i quanta energia transportava. Per separar els rars neutrins còsmics de les partícules molt més comunes produïdes a la nostra pròpia atmosfera, IceCube sovint mira "cap avall", utilitzant tota la Terra com a escut: només els neutrins poden travessar el planeta sencer.
Això ha obert la porta a la construcció d’altres observatoris de neutrins. Un dels més ambiciosos s'està construint al fons del Mediterrani
Quines fites ha assolit IceCube? El 2013 va captar els primers neutrins arribats de molt més enllà del nostre Sistema Solar, amb energies milions de vegades superiors a les dels neutrins que produeix el Sol. Va ser la primera confirmació que aquests neutrins còsmics existeixen i que els podem detectar. El següent repte va ser esbrinar d'on provenien. El 22 de setembre de 2017, IceCube va detectar un únic neutrí d'alta energia i, en menys d’un minut, va enviar automàticament la seva direcció a observatoris de tot el món. Els telescopis van apuntar cap a aquella zona del cel i van trobar una galàxia a uns quatre mil milions d'anys llum que brillava intensament en aquell precís moment. Al seu centre hi ha un forat negre gegant que expulsa un potent raig de matèria gairebé directament cap a la Terra. Per primera vegada, un neutrí i la llum apuntaven a la mateixa font còsmica, i els astrònoms van aconseguir una prova sòlida per resoldre el misteri d'on neixen les partícules més energètiques de l'univers. Més recentment, el 2023, IceCube va mirar més a prop. Combinant deu anys de dades amb tècniques d’IA, es va obtenir la primera imatge de la nostra pròpia galàxia, la Via Làctia, feta no amb llum sinó amb neutrins. Va ser com veure un paisatge conegut amb uns ulls completament nous.
Tots aquests descobriments, possibles en gran part gràcies a que Francis Halzen va imaginar IceCube i el va portar d’una idea agosarada a un gran observatori científic, juntament amb centenars de col·laboradors d’arreu del món, han demostrar que l’astronomia amb neutrins és possible. Això ha obert la porta a la construcció d’altres observatoris de neutrins. Un dels més ambiciosos és KM3NeT, que s'està construint al fons del Mediterrani. Es basa en la mateixa idea que IceCube, però en lloc de gel utilitza aigua de mar profunda i fosca, on llargues línies verticals de sensors de llum, ancorades al fons marí i sostingudes per boies, esperen els febles flaixos blaus produïts quan un neutrí xoca amb la matèria. En definitiva, IceCube és una historia d’èxit que demostra la importància de perseguir els somnis en ciència i de perseverar fins a fer-los realitat. En definitiva, un Premi Nobel molt merescut.
Carlos F. Sopuerta
Físic, Investigador Científic de l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC i IEEC)
President de l’ACDIC