Un neutrino de origen cósmico con una energía 10.000 veces superior a la que se consigue en los mayores aceleradores de partículas llegó a la Tierra el 13 de febrero de 2023, mañana hará dos años, y fue detectado por un telescopio submarino que se está construyendo junto a Sicilia, lo que aporta la primera prueba de que el Universo produce neutrinos tan energéticos. El inesperado suceso, reportado hoy en la revista científica Nature, abre un nuevo capítulo en la astronomía de neutrinos, que utiliza estas enigmáticas partículas para descubrir fenómenos cósmicos que escapan a los telescopios ópticos convencionales.
Con esta detección, “se abre una ventana completamente nueva (...) al Universo”, declaró ayer en rueda de prensa Paschal Coyle, investigador del Centro de Física de Partículas de Marsella, que coordinaba el proyecto del telescopio submarino KM3NeT cuando se identificó el neutrino. Por esta ventana se podrán ver fenómenos de “muy alta energía a muy larga distancia. Estamos explorando un área en la que no existen observaciones”.
Para Coyle, “es increíble que haya objetos en el Universo que puedan acelerar partículas a energías tan extremas; aún no comprendemos bien cómo lo hacen, es uno de los objetivos principales de la astronomía”.
Preparación de uno de los sensores del telescopio de neutrinos KM3NeT antes de instalarlo en el fondo del Mediterráneo
El telescopio KM3NeT busca rastros de neutrinos porque son un tipo de partículas que suelen cruzar la materia sin interactuar con ella. Se estima que cien billones de neutrinos pasan a través de nuestro cuerpo cada segundo sin que nos demos cuenta. Los neutrinos pueden cruzar el Universo, pasando a través de galaxias, sin interactuar con nada. Pero son tan abundantes que muy ocasionalmente alguno de ellos interactúa con otra partícula y puede ser detectado. Esto les convierte en mensajeros cósmicos ideales para estudiar fenómenos astrofísicos lejanos. Los detectores tienen que instalarse bajo agua o bajo tierra para protegerlos del ruido de fondo causado por otras partículas.
El excepcional neutrino que llegó a la Tierra el 13 de febrero de 2023 fue identificado por el detector ARCA del telescopio KM3NeT, que se está instalando en el Mediterráneo a 3.450 metros de profundidad, unos 100 kilómetros al sureste de Sicilia. El detector está formado por una red de sensores diseñados para captar la luz que puedan producir las partículas en el agua.
El neutrino tenía una energía 10.000 veces superior a la que se consigue en los aceleradores de partículas más potentes
Dado que los neutrinos solo se dejan ver cuando interactúan con otras partículas, el detector no busca neutrinos directamente sino otras partículas que los delatan. En este caso, se detectó un muón con una energía estimada de 120 petaelectronvoltios (peta significa mil billones). En la fracción de segundo que el muón pasó ante al telescopio, los sensores detectaron 28.000 fotones en forma de un rastro de luz azulada. “Mi programa informático se colgó; no había previsto que tendría que gestionar tantos fotones”, recordó Paschal Coyle en la rueda de prensa.
Una energía de 120 petaelectronvoltios multiplica por treinta la del neutrino más energético detectado anteriormente y por 10.000 la que se puede alcanzar en los aceleradores de partículas más potentes, como el LHC del CERN en Ginebra. Según Coyle, haría falta un acelerador de partículas con un perímetro mayor que el de la Tierra para alcanzar una energía equivalente a la del neutrino detectado con el telescopio KM3NeT.
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Tras identificar el neutrino, los investigadores analizaron la región de cielo de la que procedía para identificar su origen. Pero el neutrino llegó cuando solo se habían instalado 21 columnas de sensores del detector ARCA, menos de un 10% de las 230 que tendrá cuando esté terminado en 2028. Por ello, no se pudo determinar la dirección de la que venía el neutrino con suficiente precisión.
“Estamos bastante seguros de que viene más allá de nuestra galaxia”, explicó en la rueda de prensa Damien Dornic, del Centro de Física de Partículas de Marsella. Las dos hipótesis principales sobre su origen son que puede venir de una fuente extragaláctica, como un agujero negro supermasivo, una supernova o una explosión de rayos gamma; o bien que puede proceder de la radiación de fondo del Universo -el eco del big bang-, cuyos fotones podrían producir neutrinos de alta energía al interactuar con rayos cósmicos.
Instalación de uno de los sensores del telescopio submarino KM3NeT para detectar neutrinos de origen cósmico
Cuando el telescopio KM3NeT esté completado, los investigadores esperan poder determinar con precisión el origen de cada neutrino extragaláctico que encuentren. En cuanto detecten un neutrino, enviarán en menos de un minuto una alerta a telescopios de todo el mundo para que busquen en la dirección de la que viene la partícula.
“La historia muestra que, cuando abres una nueva ventana de observación, nunca sabes lo que vas a encontrar”, declaró Paschal Coyle. “Los neutrinos son tan misteriosos que hay buenas posibilidades” de encontrar algo inesperado.
La astronomía de neutrinos busca fenómenos cósmicos que escapan a los telescopios ópticos convencionales
Además del detector ARCA, diseñado especialmente para identificar neutrinos de alta energía, el telescopio cuenta con otro detector llamado ORCA diseñado para estudiar las propiedades de los neutrinos. Este segundo detector, más pequeño, se está instalando a 2.450 metros de profundidad, también en el Mediterráneo, unos 40 kilómetros al sur de Toulon (Francia).
En el proyecto participan 68 instituciones científicas de 21 países. Por parte de España participan el Instituto de Física Corpuscular (del CSIC y la Universitat de València), la Universitat Politècnica de València, la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), la Universidad de Granada, el Instituto Oceanográfico de Murcia y el Institut de Ciències del Mar del CSIC en Barcelona.
