Los neutrinos astrofísicos no dan señales de haber sido alterados por la gravedad cuántica a través de su recorrido imperturbable por el universo: no reflejan ninguna alteración de la estructura del espacio-tiempo. Pero la explicación cuántica de la gravedad está cada vez más acotada.
La colaboración IceCube, con su detector situado bajo la capa de hielo de la Antártida, ha utilizado neutrinos astrofísicos, producidos por los rayos cósmicos, para buscar cambios en la estructura del espacio-tiempo, aunque sin haber alcanzado hasta ahora resultados positivos.
En la investigación, publicada en Nature Physics, el equipo analizó más de siete años de datos y no encontró signos de una estructura modificada del espacio-tiempo impresa en las características de los neutrinos, lo que supone un paso más para comprender la gravedad cuántica, cuyo objetivo es describir la gravedad utilizando los principios de la mecánica cuántica.
Hace tiempo que se ha sugerido que algunos aspectos de los datos de IceCube podrían ser manifestaciones de leyes de propagación de neutrinos modificadas por gravedad cuántica, algo que la nueva investigación ha venido a descartar.
IceCube es un detector de neutrinos a escala de kilómetros cúbicos integrado en la capa de hielo en el Polo Sur geográfico. Completado en diciembre de 2010, está compuesto por más de 5.000 módulos digitales ópticos suspendidos en un kilómetro cúbico de hielo enterrado en el subsuelo del Polo Sur.
Hito astronómico
En 2017, IceCube capturó un neutrino procedente de un agujero negro supermasivo que dispara chorros de plasma directamente a la Tierra, llamado blazar. Este neutrino presagió una nueva era de la astronomía, que ya desde entonces esta disciplina no depende únicamente del uso del espectro de luz para observar el universo.
Aunque no se ha informado de otras fuentes de neutrinos de alta energía con el mismo nivel de confianza que el neutrino blazar de 2017, IceCube ha continuado persiguiendo neutrinos de fuentes astrofísicas lejanas, como los blazares, que viajan casi imperturbables hasta la Tierra.
En su viaje por el Universo, esos neutrinos pueden atravesar regiones y, supuestamente, alterar el espacio-tiempo por la mediación de la gravedad cuántica. Huellas de esos cambios se reflejarían en las características de los neutrinos.
Por este motivo, el espectro de los neutrinos se usa para buscar posibles firmas fenomenológicas de gravedad cuántica (QG), como violaciones de la invariancia de Lorentz o la decoherencia cuántica.
Nuevo intento
En la nueva investigación, la Colaboración IceCube utilizó neutrinos astrofísicos para buscar cambios en la estructura del espacio-tiempo que podrían haber dejado su huella en las características de estas partículas.
El equipo analizó más de siete años de datos y no encontró signos de una estructura modificada del espacio-tiempo impresa en las características de los neutrinos.
Sus resultados, aunque negativos, brindan información sobre los modelos que podrían conducir a tales modificaciones en una región donde se espera que la gravedad cuántica desempeñe un papel, destacan los investigadores. La posibilidad de dar con ella está ahora más acotada.
Carlos Pobes, investigador posdoctoral del grupo Q-MAD en el Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA, destaca en SMC que, desde el hito de 2017, IceCube ha seguido proporcionando información muy relevante sobre la propia física de los neutrinos, la materia oscura o, como en este caso, de las teorías de gravedad cuántica.
Nuevas posibilidades
Las propuestas de gravedad cuántica se han mantenido generalmente en el ámbito de la física teórica, pero el nacimiento de la astronomía multimensajera (luz, neutrinos, rayos cósmicos y ondas gravitacionales) abrió la posibilidad de utilizar estas partículas para testar algunas de sus predicciones, añade Pobes.
En particular, se prevén ligerísimas alteraciones en la propagación de estas partículas por el espacio que son amplificadas en las largas distancias que recorren hasta la Tierra, por lo que podrían ser observables y poner de manifiesto que la gravedad cuántica está interactuando.
En ello se basan los numerosas pruebas de violación de la invarianza Lorentz como la que publica el último experimento IceCube que acaba de publicarse. Este estudio es muy minucioso, a pesar de haber tenido que utilizar algunas simplificaciones.
Lo relevante, considera Pobes, es que los resultados de ahora empiezan a ser competitivos frente a otros experimentos, y eso a pesar de contar con un número de neutrinos bastante reducido.
El lado positivo del negativo
Este resultado hace si cabe más interesante la ampliación del telescopio que se va a construir en los próximos años y que seguro va a seguir dando muy buenos resultados, añade Pobes.
Hay que destacar también que este es uno de esos casos en los que la ciencia obtiene un resultado importante negativo. Es decir, no se ha observado un ningún efecto de gravedad cuántica, pero eso limita cualquier propuesta teórica que prediga un efecto mayor de los límites que se han publicado, lo que permite empezar a restringir algunos modelos, concluye Pobes.
La física italiana Giulia Gubitosi expresa al respecto, en un artículo publicado en Nature, que la "impresionante sensibilidad alcanzada por IceCube Collaboration marca un hito en el desarrollo de la fenomenología de la gravedad cuántica con neutrinos astrofísicos".
Santo Grial o El Dorado
Comprobar que la gravedad cuántica existe realmente, tal como la formuló el físico Abhay Ashtekar en 1986, es algo de la máxima importancia, ya que nos permitiría comprender mejor cómo surgió el universo.
Sin embargo, las perspectivas de probarla directamente siguen siendo escasas: necesitaríamos un acelerador de partículas del tamaño de la Vía Láctea para conseguirlo… o acceder al interior de un agujero negro.
IceCube representa un atajo viable, aunque no el único, para confirmar su presencia en el universo gracias a los neutrinos astrofísicos, potenciales mensajeros de lo que ha sido considerado como el Shangri-La, El dorado o el Santo Grial de la Física, la última frontera desde donde todo se verá iluminado, como ha definido Carlos Barceló (IAA-CSIC) al deseo llamado gravedad cuántica.
Referencia
Search for quantum gravity using astrophysical neutrino flavour with IceCube. The IceCube Collaboration. Nature Physics (2022). DOI:https://doi.org/10.1038/s41567-022-01762-1
