Científicos detectan el neutrino de mayor energía hasta ahora

Los neutrinos son la segunda partícula más abundante en el Universo después de los fotones, pero es muy difícil detectarlos, por lo que se requieren detectores enormes como el del telescopio de neutrinos KM3NeT, instalado al fondo del mar Mediterráneo.

Representación de la detección del neutrino en KM3NeT. El dibujo de la torre Eiffel es para apreciar la escala de los cables que forman las unidades de detección. Imagen: KM3NeT.
Representación de la detección del neutrino en el KM3NeT. El dibujo de la torre Eiffel es para apreciar la escala de los cables que forman las unidades de detección. Imagen: KM3NeT.

El telescopio de neutrinos KM3NeT es una gigantesca infraestructura instalada en aguas profundas del mar Mediterráneo, que cuando esté terminada ocupará un volumen de más de un kilómetro cúbico.

Su tamaño no es una exageración, es la única manera de captar neutrinos, partículas elementales muy abundantes en el universo, pero muy pequeñas y sin carga eléctrica, que llegan de forma constante a la Tierra sin ser detectadas.

Pueden venir desde el interior de las estrellas, como el Sol, pero también de agujeros negros, explosiones de supernovas u otros fenómenos astronómicos ocurridos a millones de años luz de distancia, por lo que observarlos es crucial para poder estudiarlos.

El pasado miércoles, uno de los detectores de KM3NeT, denominado ARCA, logró detectar un neutrino con una energía estimada de unos 220 PeV (pico-electrón voltios, equivalente a 220.000 billones de electronvoltios), el más energético observado hasta ahora y que proporciona la primera evidencia de que en el universo se producen neutrinos de tan altas energías.

Dando caza a la partícula más misteriosa

En un estudio publicado en Nature, el equipo detalló que la detección se produjo el 13 de febrero de 2023, y tras un largo trabajo de análisis e interpretación de los datos, se comprobó que una única partícula atravesó todo el detector, produciendo señales en más de un tercio de los sensores activos.

La inclinación de su trayectoria combinada con su enorme energía, entregó evidencia convincente de se trató de un neutrino cósmico que interactuó en las proximidades del detector.

Impresión visual del evento observado en el detector ARCA del KM3NeT. Los colores indican la luz vista por cada módulo. Imagen: KM3NeT.
Impresión visual del evento observado en el detector ARCA del KM3NeT. Los colores indican la luz vista por cada módulo. Imagen: KM3NeT.

“KM3NeT ha comenzado a investigar un rango de energía y sensibilidad en el que los neutrinos detectados pueden tener su origen en fenómenos astrofísicos extremos. Esta primera detección de un neutrino de cientos de pico-electrón voltios (PeV) abre un nuevo capítulo en la astronomía de neutrinos y una nueva ventana de observación del universo”, comentó Paschal Coyle, investigador del Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) – Centro de Física de Partículas de Marsella, Francia.

Estos fenómenos astrofísicos extremos son eventos cataclísmicos, como la acumulación de agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias, las explosiones de supernovas y los estallidos de rayos gamma, sucesos que aún no son totalmente comprendidos por la ciencia.

Estos eventos generan corrientes de partículas llamadas rayos cósmicos, que pueden interactuar con la materia o los fotones alrededor de su fuente para producir neutrinos y fotones. Durante su viaje por el universo, los rayos cósmicos más energéticos pueden interactuar con los fotones de la radiación de fondo de microondas, para producir neutrinos “cosmogénicos” extremadamente energéticos.

Este neutrino en particular, puede tener su origen tanto en un evento cataclísmico o ser la primera detección de un neutrino cosmogénico, pero es difícil confirmar su origen a partir de una única partícula. Las futuras observaciones del telescopio se centrarán en detectar más eventos de este tipo para obtener una imagen más clara.

Cómo funciona el telescopio bajo el mar

KM3NeT utiliza agua de mar como medio de interacción de los neutrinos. El detector ARCA (acrónimo en inglés de investigación de astropartículas cósmicas en el abismo) utilizado en este descubrimiento, detecta la luz Cherenkov, un resplandor azulado que se genera durante la propagación de las partículas producidas en las interacciones de los neutrinos a través del agua.

Un módulo de KM3NeT, con 31 "ojos" sensibles a la luz en las profundidades marinas. Imagen: KM3NeT.
Un módulo de KM3NeT, con 31 "ojos" sensibles a la luz en las profundidades marinas. Imagen: KM3NeT.

“Para determinar la dirección y la energía de este neutrino fue necesaria una calibración precisa del telescopio y sofisticados algoritmos 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”, comentó Aart Heijboer, director de física y software de KM3NeT en el momento de la detección e investigador del Instituto Nacional Nikhef de Física Subatómica (Países Bajos).

Los detectores ARCA y ORCA del KM3NeT se dedican a la detección de los neutrinos de más alta energía y sus fuentes en el universo, y al estudio de las propiedades fundamentales del propio neutrino, respectivamente. El primero está a 3.450 metros de profundidad, a unos 80 km de la costa de Portopalo di Capo Passero, en Sicilia, Italia, mientras ORCA está a 2.450 metros, a unos 40 km de la costa de Toulon, Francia.

Referencias de la noticia:

- Comunicado KM3NeT: KM3NeT detects the highest energy neutrino ever observed.

- Paper en Nature: Observation of an ultra-high-energy cosmic neutrino with KM3NeT.