El Nobel de Física premia a Francis Halzen, el científico que convirtió un kilómetro cúbico de hielo en un telescopio

La Real Academia Sueca de Ciencias reconoce al impulsor del observatorio IceCube por el descubrimiento de neutrinos cósmicos de alta energía. Su éxito es también una proeza de ingeniería: más de 5.000 sensores enterrados a 2.450 metros, perforaciones realizadas con agua caliente y una red electrónica capaz de medir destellos de luz con precisión de nanosegundos en uno de los lugares más inhóspitos del planeta.

La Real Academia Sueca de Ciencias ha concedido el Premio Nobel de Física de 2026 a Francis Halzen “por sus contribuciones decisivas al Observatorio de Neutrinos IceCube y el descubrimiento de neutrinos de alta energía de origen astrofísico”. El físico belga-estadounidense, profesor de la Universidad de Wisconsin-Madison, recibirá en solitario los 12 millones de coronas suecas, en torno a un millón sesenta mil euros, con los que está dotado el galardón.

El Nobel reconoce una aportación científica que resultaría inseparable de la ingeniería que permitió materializarla. IceCube no es un telescopio convencional, ni dispone de espejos, lentes o una estructura orientable. Su elemento principal es un volumen de aproximadamente un kilómetro cúbico de hielo antártico, instrumentado con miles de sensores ópticos entre 1.450 y 2.450 metros de profundidad.

La instalación utiliza el hielo profundo del Polo Sur como medio transparente, estructura de soporte, blindaje frente a interferencias y volumen de detección. Esa decisión permitió construir el mayor observatorio de neutrinos del mundo sin fabricar un tanque artificial de dimensiones imposibles. La intuición física de Halzen consistió precisamente en comprender que la naturaleza podía aportar la mayor parte de la infraestructura, siempre que la ingeniería fuese capaz de perforarla, instrumentarla y convertirla en un detector calibrado.

Los neutrinos son partículas elementales sin carga eléctrica y con una masa extremadamente pequeña. Miles de millones atraviesan continuamente la materia, incluidos el planeta y el cuerpo humano, sin producir efectos apreciables. Esa capacidad para viajar prácticamente sin desviarse permite que conserven información sobre fenómenos situados a enormes distancias, pero también hace extraordinariamente difícil detectarlos.

Energía y trayectoria del neutrino

Cuando un neutrino interactúa excepcionalmente con un átomo del hielo puede producir una partícula cargada que atraviesa ese medio a una velocidad superior a la velocidad de propagación de la luz en el propio hielo —aunque nunca más rápido que la luz en el vacío—. El resultado es un débil cono azulado de radiación Cherenkov. IceCube registra esos fotones y, a partir de su intensidad y del momento exacto en que llegan a cada sensor, reconstruye la energía y la trayectoria del neutrino.

El observatorio está formado por 86 líneas o strings verticales, de cada una de las cuales cuelgan 60 módulos ópticos digitales. En total, 5.160 sensores permanecen congelados dentro del hielo, además de otros 324 instalados en la superficie como parte del detector IceTop. Los módulos profundos comienzan a 1.450 metros y alcanzan los 2.450 metros, dentro de una zona de hielo especialmente transparente y estable.

Cada módulo óptico es un pequeño sistema autónomo de instrumentación. Contiene un tubo fotomultiplicador de alta sensibilidad, una fuente de alta tensión, electrónica de adquisición, dispositivos de calibración mediante LED, un sistema de alimentación y un ordenador integrado. Todo el conjunto está encapsulado dentro de una esfera de vidrio resistente a la presión generada durante la instalación y la posterior recongelación.

Los sensores deben distinguir desde la señal de un único fotón hasta cascadas con decenas de miles, digitalizar las formas de onda y asignar a cada detección una referencia temporal con precisión de nanosegundos. Esa sincronización es imprescindible: diferencias minúsculas entre los tiempos de llegada de la luz a los distintos módulos permiten reconstruir la dirección original de la partícula.

Diseño, fabricación y control de calidad

La ubicación impuso requisitos de fiabilidad poco habituales incluso en la instrumentación científica. Una vez que el agua se congela alrededor de los sensores no existe ninguna posibilidad práctica de recuperarlos, repararlos o sustituirlos. Los módulos fueron sometidos antes de su instalación a ciclos térmicos y ensayos prolongados en cámaras oscuras a temperaturas de hasta 55 grados bajo cero. Gracias a ese proceso de diseño, fabricación y control de calidad, el 98,4% de los módulos instalados en profundidad continuaba recogiendo datos, según la documentación técnica del proyecto.

La perforación planteó otro desafío. Los ingenieros tuvieron que abrir 86 pozos de unos 60 centímetros de diámetro y hasta 2,5 kilómetros de profundidad sin utilizar perforación mecánica convencional. Para ello desarrollaron un equipo de agua caliente a presión con una potencia térmica próxima a cinco megavatios.

El sistema impulsaba agua a unos 80 grados a través de una manguera de 2.500 metros y fundía el hielo hasta crear un conducto vertical. Cada perforación requería alrededor de 48 horas y más de 750.000 litros de agua fundida. Una vez abierto el pozo, el equipo disponía de pocas horas para desplegar el cable y sus sensores antes de que el hielo comenzara a cerrarse de nuevo. La instalación de cada línea duraba aproximadamente once horas.

Campañas de construcción

Las campañas de construcción se desarrollaron entre 2004 y 2010 y solamente podían ejecutarse durante los meses del verano austral. El transporte de materiales, combustible, generadores, electrónica y equipos de perforación exigió desplazar aproximadamente 2.100 toneladas de carga al Polo Sur. En algunas temporadas trabajaron alrededor de un centenar de personas para mantener una operación continua en turnos durante las escasas semanas disponibles.

La precisión geométrica también era crítica. Para que los algoritmos pudieran reconstruir una trayectoria era necesario conocer con exactitud la posición de cada sensor. El equipo de perforación debía mantener los pozos prácticamente verticales a lo largo de más de dos kilómetros, mientras los sistemas de calibración medían posteriormente las propiedades ópticas del hielo, sus capas, la dispersión y la absorción de la luz.

En la superficie, la información procedente de los módulos se integra en un sistema distribuido de adquisición. La electrónica selecciona coincidencias entre sensores, filtra el enorme fondo de partículas producido en la atmósfera y reduce el volumen de datos que debe ser analizado o enviado por satélite fuera de la Antártida. IceCube es, por ello, tanto una gran obra de perforación e instrumentación como una infraestructura de telecomunicaciones, computación y tratamiento masivo de señales.

El proyecto costó aproximadamente 279 millones de dólares y necesitó siete años de construcción. Estados Unidos aportó la mayor parte de la financiación a través de la National Science Foundation, con la participación de Alemania, Bélgica y Suecia. Actualmente, la colaboración reúne a más de 400 científicos de 14 países.

Reconocimiento de Halzen a “los talentosos ingenieros del Physical Sciences Laboratory”

Halzen ha destacado expresamente la aportación de la ingeniería al recoger la noticia del Nobel. “El éxito de este proyecto implicó algo de suerte y tuve la fortuna de estar en Wisconsin, donde las ideas poco convencionales pueden prosperar y donde conté con el apoyo de una comunidad extraordinaria, desde los talentosos ingenieros del Physical Sciences Laboratory hasta mis compañeros”, señaló el investigador.

Los primeros resultados decisivos llegaron en 2013, cuando IceCube comunicó la detección de 28 neutrinos de alta energía que no procedían del Sol ni de interacciones producidas en la atmósfera terrestre, sino de fuentes situadas fuera del sistema solar. El descubrimiento demostró que el hielo instrumentado podía abrir una nueva ventana de observación del universo.

En 2017, IceCube detectó un neutrino de muy alta energía cuya dirección coincidía con el blázar TXS 0506+056, una galaxia activa situada a miles de millones de años luz. La rápida distribución de la alerta permitió que telescopios terrestres y espaciales observaran la misma región mediante radiación electromagnética. El episodio se convirtió en uno de los hitos de la astronomía multimensajero, que combina luz, partículas, rayos cósmicos y ondas gravitacionales para estudiar un mismo fenómeno.

IceCube ha aportado posteriormente indicios de emisiones de neutrinos procedentes de otras galaxias activas y de la propia Vía Láctea. A diferencia de los rayos cósmicos, que tienen carga y son desviados por los campos magnéticos, los neutrinos conservan la dirección de su fuente. Esto permite utilizarlos como sondas de agujeros negros supermasivos, explosiones estelares y otros aceleradores naturales capaces de producir energías que no pueden reproducirse en laboratorios terrestres.

Enrique Zas, la conexión española

El galardón también tiene una conexión española. A finales de la década de 1980, Halzen trabajó con el físico Enrique Zas, actualmente investigador del Instituto Gallego de Física de Altas Energías, en los primeros cálculos sobre la posibilidad de detectar neutrinos cósmicos mediante grandes volúmenes instrumentados. Aquellos estudios ayudaron a determinar cuántos neutrinos podían llegar, qué extensión debía tener el detector y si la idea era técnicamente viable.

La ingeniería del proyecto continúa evolucionando. IceCube acaba de completar una primera ampliación mediante cinco nuevos pozos perforados con el mayor sistema de agua caliente construido hasta ahora, también de cinco megavatios. Los nuevos módulos incorporan fotodetectores más sensibles y equipos de calibración destinados a reducir la incertidumbre sobre las propiedades ópticas del hielo. La National Science Foundation ha definido la operación como una demostración de capacidad logística y tecnológica en la Antártida.

La siguiente generación, IceCube-Gen2, plantea aumentar varias veces el volumen instrumentado, desplegar alrededor de 10.000 nuevos sensores y añadir una red de antenas de radio sobre cientos de kilómetros cuadrados. Su diseño trata de reducir el diámetro de los pozos, el consumo energético y el coste de perforación, al tiempo que aumenta la superficie fotosensible y la capacidad de procesar información dentro de cada módulo.

El Nobel de Halzen premia, en definitiva, una idea de física fundamental que únicamente pudo comprobarse mediante ingeniería extrema. Convertir mil millones de toneladas de hielo en un instrumento científico exigió resolver problemas de materiales, energía, perforación, electrónica, comunicaciones, metrología, logística, fiabilidad y tratamiento de datos. IceCube demuestra que, en la gran ciencia contemporánea, la frontera entre descubrimiento físico e innovación tecnológica resulta cada vez más difícil de separar.