Un equipo internacional en el que participan, entre otras, las universidades de Granada, de Valencia y Politécnica de Valencia, han detectado el neutrino cósmico de mayor energía registrado hasta ahora. Esta partícula fue captada con el telescopio submarino KM3NeT, sumergido en el fondo del Mediterráneo, y su observación supone un hito científico, debido a la dificultad de registrar este tipo de fenómenos.
El neutrino observado por KM3NeT desprendió una cantidad de energía miles de veces superior a la que se produce en el acelerador de partículas del CERN; concretamente, los científicos la han estimado en uno 220 PeV (220.000 billones de electronvoltios). Así, esta partícula, cuyo origen se desconoce, proporciona la primera evidencia de que neutrinos de tan altas energía se producen en el universo.
Este fenómeno, llamado KM3-230213A, fue registrado el 13 de febrero de 2023. El evento detectado se identificó como un muon (una partícula elemental emparentada con el electrón) que atravesó todo el detector, produciendo señal en más de un tercio de los sensores. La inclinación de su trayectoria junto con su enorme energía proporciona pruebas convincentes de que el muon se originó a partir de un neutrino cósmico que interactuó en las proximidades del detector. Los resultados del estudio de este registro sin precedentes han quedado plasmados en un artículo publicado en la portada de la revista Nature.
Qué son los neutrinos
Los neutrinos son unos de los componentes elementales del universo. “Los neutrinos son una de las partículas elementales más misteriosas. No tienen carga eléctrica, casi no tienen masa e interactúan débilmente con la materia. Son mensajeros cósmicos especiales, que nos proporcionan información única sobre los mecanismos involucrados en los fenómenos más energéticos y nos permiten explorar los confines más lejanos del universo”, explica Rosa Coniglione, portavoz adjunta de KM3NeT en el momento de la detección e investigadora en el Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN) de Italia.
Los neutrinos son la segunda partícula más abundante del universo después de los fotones que forman la luz. Sin embargo, su interacción extremadamente débil con la materia los hace muy difíciles de detectar, y requiere de instrumentos enormes. El telescopio de neutrinos KM3NeT, actualmente en construcción, es una gigantesca infraestructura en el fondo del mar consistente en dos detectores, ARCA y ORCA. KM3NeT utiliza el agua del mar como medio de interacción para detectar los neutrinos. Sus módulos ópticos de alta tecnología detectan la luz Cherenkov, un resplandor azulado que genera la propagación en el agua de partículas ultra-relativistas resultantes de las interacciones con neutrinos.
Cuál es el posible origen del neutrino captado
Este neutrino de ultra alta energía puede tener su origen directamente en un potente acelerador cósmico. Alternativamente, podría ser la primera detección de un neutrino cosmogénico. Sin embargo, basándose en este único neutrino, es difícil llegar a conclusiones sobre su origen, aseguran los científicos de la colaboración.
Las futuras observaciones se centrarán en detectar más eventos de este tipo para construir una imagen más clara. La expansión en curso de KM3NeT con unidades de detección adicionales y la adquisición de nuevos datos mejorarán su sensibilidad y aumentarán su capacidad para identificar fuentes de neutrinos cósmicos, convirtiendo a KM3NeT en un actor principal en la astronomía multimensajero.
“KM3NeT ha comenzado a explorar un rango de energía y sensibilidad donde los neutrinos detectados pueden ser producidos en fenómenos astrofísicos extremos. Esta primera detección de un neutrino de cientos de PeV abre un nuevo capítulo en la astronomía de neutrinos y una nueva ventana de observación del universo”, comenta Paschal Coyle, portavoz de KM3NeT en el momento de la detección e investigador del Centro de Física de Partículas IN2P3/CNRS de Marsella (Francia).
Participación española en KM3NeT
La colaboración KM3NeT reúne a más de 360 científicos, ingenieros, técnicos y estudiantes de 68 instituciones de 22 países de todo el mundo. En España participan el Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto del CSIC y la Universidad de Valencia; la Unidad Mixta del Instituto Español de Oceanografía (IEO) del CSIC y la Universidad Politécnica de Valencia (UPV); el IGIC de la UPV; la Universidad de Granada; y el LAB de la Politécnica de Cataluña.
La participación española en los telescopios de neutrinos data de hace casi tres décadas, cuando un pequeño grupo de investigadores del IFIC se unieron a la iniciativa de construir el primer telescopio de neutrino submarino, ANTARES, que empezó a tomar datos a mediados de los años 2000.
El profesor de investigación del CSIC en el IFIC Juan José Hernández Rey, que fue portavoz adjunto de ANTARES durante su construcción y primera operación, afirma: “En aquella época aún estaba por demostrar la viabilidad técnica de instalar en el fondo del mar un instrumento semejante. El único intento precedente, un proyecto estadounidense, acabó siendo cancelado”. ANTARES, que operó durante 16 años y fue desmantelado recientemente, marcó el camino a seguir.
Poco tiempo después de que ANTARES entrase en funcionamiento, comenzó el diseño de un telescopio aún mayor, KM3NeT, actualmente en fase de instalación pero que ya toma datos en su configuración parcial. “Los grupos españoles que forman parte de KM3NeT, además de participar en la construcción de varios elementos del telescopio, cubren diversas líneas de investigación: astronomía multi-mensajero, búsqueda de materia oscura, estudio de las oscilaciones de neutrinos, búsqueda de nueva física a través de los neutrinos…”, explica el profesor de la UV Juan de Dios Zornoza Gómez, coordinador de los grupos españoles en KM3NeT. “También trabajamos en las implicaciones de este extraordinario suceso y en su conocimiento más profundo”.
La participación de los grupos españoles en KM3NeT está financiada por diversos programas del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, así como programas europeos y regionales (Generalitat Valenciana y Junta de Andalucía). La contribución activa del CSIC en KM3NeT responde a la apuesta decidida del mayor organismo de ciencia español por el desarrollo de las grandes infraestructuras científicas internacionales.
Astronomía de neutrinos
El área de la astronomía de neutrinos está en plena expansión, y los investigadores españoles confían en que, con la instalación completa de los dos detectores de KM3NeT, ARCA y ORCA, se pueda arrojar nueva luz sobre el misterio del origen de los neutrinos cósmicos. “Para determinar la dirección y la energía de este neutrino se requirió una calibración precisa del telescopio y sofisticados algoritmos de reconstrucción de trazas. Además, esta extraordinaria detección se logró con solo una décima parte de la configuración final del detector, demostrando el gran potencial de nuestro experimento para el estudio de los neutrinos y la astronomía de neutrinos”, comenta Aart Heijboer, coordinador de Física y Software de KM3NeT en el momento de la detección e investigador en el Instituto Nacional de Física Subatómica (Nikhef), en Países Bajos.
