30 veces más de lo normal: detectan el neutrino más energético observado hasta ahora
El descubrimiento, llevado a cabo por investigadores de la colaboración KM3NeT, supone toda una revolución en nuestra comprensión de los fenómenos más violentos y energéticos del Universo y abre una nueva era en la Astronomía de Neutrinos
Detectan el neutrino más energético de la historia, pero su descubridor no quiere decir de dónde viene
Un equipo internacional de investigadores acaba de anunciar en 'Nature' la detección de un neutrino cósmico 30 veces más energético que cualquier otro observado hasta ahora. El resultado sugiere que la partícula procedía de más allá de la Vía Láctea, aunque su origen ... preciso aún está por determinar. El hallazgo fue llevado a cabo por un equipo de científicos de la colaboración KM3NeT, una instalación submarina europea instalada a gran profundidad en el Mediterráneo y que consta de dos detectores de neutrinos diferentes: ARCA, cerca de Sicilia, que es el que hizo el descubrimiento; y ORCA, en la costa mediterránea francesa, que estudia los neutrinos atmosféricos. Aún no del todo terminados, los dos detectores, sin embargo, están ya operativos. Una vez concluida su construcción, el telescopio KM3NeT alcanzará un volumen de más de un kilómetro cúbico.
El descubrimiento supone toda una revolución en nuestra comprensión de los fenómenos más violentos y energéticos del Universo y, a la vez, confirma la importancia creciente de la llamada 'astronomía de multi mensajeros', un campo relativamente nuevo que no se limita a explorar el Universo analizando la información que nos llega a través de su luz (radiación electromagnética), sino que se centra en otros 'mensajeros' diferentes, como neutrinos, rayos cósmicos y ondas gravitacionales, cuyo estudio revela aspectos que resultan invisibles para los telescopios tradicionales.
Un neutrino excepcional
De este modo, el 13 de febrero de 2023, el detector ARCA del telescopio de neutrinos KM3NeT detectó un evento extraordinario: un neutrino con una energía estimada de alrededor de 220 PeV (PetaelectonVoltios), es decir, 220.000 millones de electronvoltios. El electronvoltio es una unidad de energía muy utilizada en física de partículas, y equivale a la cantidad de energía que adquiere un electrón al trasladarse entre dos puntos con una diferencia de potencial de 1 voltio.
El evento, denominado KM3-230213A, no solo es el neutrino más energético nunca observado, sino que además constituye la primera evidencia de que estas esquivas partículas, también conocidas como 'partículas fantasma' son capaces de alcanzar energías tan extremas.
En concreto, los investigadores identificaron un único muón atravesando todo el detector y generando señales en más de un tercio de los sensores activos. La inclinación de su trayectoria, combinada con su enorme energía, sugieren que el muón se originó a partir de un neutrino cósmico que interactuó con alguna otra partícula en las proximidades del detector. Los muones son partículas elementales de la misma familia que los electrones, aunque más pesadas, y se crean en las raras ocasiones en que los neutrinos interactúan con la materia.
«KM3NeT -explica Paschal Coyle, portavoz de la colaboración científica e investigador del centro de Física de Partículas de Marsella- ha comenzado a explorar un rango de energía y sensibilidad en el que los neutrinos pueden originarse a partir de 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».
Universo de Altas Energías
El llamado 'Universo de altas energías' es el violento reino de los eventos más extremos del Cosmos, desde los más voraces banquetes de agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias a las explosiones de supernovas, los estallidos de rayos gamma o las ráfagas rápidas de radio (FRB), fenómenos, todos, que aún no se comprenden demasiado bien. Todos estos poderosos sucesos tienen en común el hecho de que funcionan como auténticos 'aceleradores cósmicos', y generan flujos de partículas extremadamente energéticas que los científicos llaman 'rayos cósmicos'.
Algunas de esas partículas de alta energía pueden interactuar con la materia o con los fotones cercanos a su punto de origen, produciendo neutrinos y fotones. Otras, las más energéticas, viajan a través del Universo e interactúan con los fotones de la radiación cósmica de fondo de microondas, que impregna todo el Universo y que es el lejano eco del Big Bang, produciendo neutrinos «cosmogénicos» extremadamente potentes.
«Los neutrinos -explica Rosa Coniglione, subdirectora de KM3NeT en el momento de la detección- son una de las partículas elementales más misteriosas. No tienen carga eléctrica, casi no tienen masa e interactúan sólo débilmente con la materia. Son mensajeros cósmicos especiales, que nos brindan información única sobre los mecanismos involucrados en los fenómenos más energéticos que existen y nos permiten explorar los confines más lejanos del Universo».
Partículas fantasma
Aunque los neutrinos son la segunda partícula más abundante del Universo (después de los fotones), raramente 'chocan' con otras partículas, y son capaces de atravesar incluso planetas enteros como si estos no existieran. Por eso, resultan muy difíciles de observar, algo que solo se consigue con enormes detectores construidos a km de profundidad bajo altas montañas, gruesas capas de hielo en los polos o, como el KM3Net, en los fondos marinos a gran profundidad. De este modo, se consigue que cualquier partícula ajena 'tropiece' con la roca, el hielo o el agua, y que sólo pasen los neutrinos, algunos de los cuales acaban, por fin, impactando con alguna partícula en el interior de los propios detectores, grandes tanques de agua pesada rodeados por miles de detectores ultrasensibles.
El telescopio de neutrinos KM3NeT, actualmente en sus últimas fases de construcción, utiliza la propia agua del mar como medio de interacción con los neutrinos. Así, cuando un neutrino entra en el detector e interacciona con alguna de las partículas de agua, emite un ligero destello azulado, la llamada 'Luz Cherenkov', que es inmediatamente detectada por los sensores. La luz de Cherenkov es análoga al estampido sónico que se produce cuando un avión supersónico rompe la barrera del sonido; en este caso, las partículas viajan a una velocidad que es superior a la que la luz tiene en el agua. (La velocidad de la luz en el vacío es de 300.000 km/s, la máxima posible, pero es algo menor cuando se desplaza a través de un medio, como el aire o el agua).
«Determinar la dirección y la energía de este neutrino -asegura Aart Heijboer, gerente de Física y Software de KM3NeT en el momento de la detección- requirió una calibración precisa del telescopio y el desarrollo de algoritmos sofisticados de reconstrucción de trayectorias. Además, esta notable detección se logró con solo una décima parte de la configuración final del detector, lo que demuestra el gran potencial de nuestro experimento para el estudio de los neutrinos y para la astronomía de neutrinos».
Los Detectores ARCA y ORCA
El detector KM3NeT/ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) está dedicado principalmente al estudio de los neutrinos de más alta energía y sus fuentes en el Universo. Está ubicado a 3.450 m de profundidad, a unos 80 km de la costa de Portopalo di Capo Passero, Sicilia. Sus unidades de detección (DU), de 700 m de altura, están ancladas al lecho marino y se colocan a unos 100 m de distancia una de otra. Cada DU está equipada con 18 Módulos Ópticos Digitales (DOM), cada uno de ellos con 31 fotomultiplicadores (PMT). En su configuración final, ARCA comprenderá 230 DU. Los datos recopilados se transmiten a través de un cable submarino a la estación en tierra.
Por su parte, el detector KM3NeT/ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) está optimizado para estudiar las propiedades fundamentales del neutrino en sí. Se encuentra a una profundidad de 2.450 m, a unos 40 km de la costa de Toulon, Francia. Cuando esté completo, comprenderá 115 DU, cada una de 200 m de altura y espaciadas por 20 m. Los datos recopilados por ORCA se envían a la estación en tierra en La Seyne Sur Mer.
«La escala de KM3NeT -comenta por su parte Miles Lindsey Clark, gerente técnico del proyecto en el momento de la detección- que abarcará un volumen de aproximadamente un kilómetro cúbico con un total de alrededor de 200.000 fotomultiplicadores, junto con su ubicación extrema en el abismo del Mar Mediterráneo, demuestra los extraordinarios esfuerzos requeridos para avanzar en la astronomía de neutrinos y la física de partículas. La detección de este evento es el resultado de un tremendo esfuerzo de colaboración entre muchos equipos internacionales de ingenieros, técnicos y científicos».
MÁS INFORMACIÓN
El neutrino de ultra alta energía recién detectado pudo haberse generado directamente en un poderoso 'acelerador cósmico'. Pero también podría tratarse de la primera detección de un 'neutrino cosmogénico'. Sin embargo, y al ser el único neutrino conocido con este extraordinario nivel energético, resulta difícil establecer su origen. Observaciones futuras tratarán de registrar más eventos de este tipo para poder tener una imagen más clara. La Colaboración KM3NeT reúne a más de 360 científicos, ingenieros, técnicos y estudiantes de 68 instituciones de 21 países de todo el mundo. El excepcional descubrimiento marca un hito en la astronomía de neutrinos y abre nuevas vías para explorar los fenómenos más energéticos, violentos y misteriosos del Universo.
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