Un telescopio sumergido en el Mediterráneo detecta el neutrino de mayor energía jamás observado

La colaboración internacional que opera el experimento KM3NeT, un potente telescopio sumergido en las profundidades del Mediterráneo, publica hoy en Nature la detección del neutrino de mayor energía nunca antes captado por un experimento similar. El hallazgo, portada de la prestigiosa revista, proporciona la primera evidencia de que neutrinos de energías tan altas se producen en el universo, aunque su origen aún es una incógnita. En KM3NeT participan científicos de la Universidad de Granada.

El 13 de febrero de 2023, el detector ARCA del telescopio submarino de neutrinos KM3NeT detectó un extraordinario evento asociado a un neutrino de una energía estimada en unos 220 PeV (220.000 billones de electronvoltios, mucho mayor que las partículas que produce el LHC del CERN). Este evento, llamado KM3-230213A, es el neutrino más energético jamás observado hasta la fecha, y proporciona la primera evidencia de que neutrinos de energías tan altas se producen en el Universo.

Los investigadores de la UGR que han participado en este proyecto. Imagen: KM3NeT.

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.

“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).

Neutrinos, las partículas elementales más misteriosas

El universo de alta energía es el reino de eventos colosales como los agujeros negros supermasivos, las explosiones de supernovas y los estallidos de rayos gamma, sucesos que todavía no se comprenden completamente. Estos poderosos aceleradores cósmicos generan flujos de partículas llamadas rayos cósmicos, que pueden interaccionar con la materia de alrededor produciendo 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, la primera luz tras el origen del cosmos, para producir neutrinos extremadamente energéticos, llamados cosmogénicos.

La colaboración KM3NeT reúne a más de 360 científicos, ingenieros, técnicos y estudiantes de 68 instituciones de 22 países de todo el mundo.

“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.

Aunque son la segunda partícula más abundante del universo después de los fotones que forman la luz, su interacción extremadamente débil con la materia los hace muy difíciles de detectar, y requiere de detectores 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.

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.

La UGR 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. Por parte de la Universidad de Granada, investigadores de los departamentos de Física Teórica y del Cosmos y de Ingeniería de Computadores, Automática y Robótica participan en la Colaboración KM3NeT desde hace una década. Desde entonces, su investigación ha sido financiada a través de diversos programas del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, además de programas regionales financiados por la Junta de Andalucía, y a través de fondos Next Generation EU. La UGR trabaja de manera coordinada en KM3NeT con investigadores del Instituto de Física Corpuscular (IFIC) de Valencia, la Universitat Politècnica de València (UPV), el IGIC de la UPV y la Unidad Mixta del Instituto Español de Oceanografía (IEO).

Los neutrinos son la segunda partícula más abundante del universo después de los fotones que forman la luz.

“El grupo de la Universidad de Granada que forma parte de KM3NeT, contribuye al experimento en dos aspectos principalmente. Por un lado, a partir del análisis de los datos recogidos por el detector, trabajamos en diversos análisis de física enfocados a la búsqueda de fuentes de neutrinos en el Universo, a la detección de materia oscura o al estudio de efectos de nueva física a través de la medida de las propiedades de los neutrinos”, explica Sergio Navas, uno de los investigadores principales de KM3NeT en la UGR.

“Por otro, participamos en la construcción de elementos del telescopio enfocados a la medida óptima del tiempo de llegada de las señales a los sensores ópticos, lo cual es un aspecto clave en la reconstrucción de la dirección de llegada de los neutrinos. Contamos con una infraestructura en el laboratorio que nos permite diseñar y aplicar protocolos que aseguran que los componentes que construimos e instalamos en el experimento, cumplen con los requisitos de precisión exigidos (precisiones temporales inferiores a mil millonésimas de segundo)”, añade Antonio Díaz García, co-líder del proyecto en la UGR.

El experimento KM3NeT, un potente telescopio sumergido en las profundidades del Mediterráneo. Imagen: KM3NeT. 

“La detección del evento KM3-230213A ha supuesto un enorme incentivo para los que trabajamos en el experimento”, cuenta Sergio Navas, “y está sirviendo de polo de atracción para que nuevos centros de investigación se unan al proyecto. Desde la UGR continuamos trabajando en desentrañar la naturaleza de este evento tan singular sobre el que tantas incógnitas quedan todavía por descifrar”. El equipo de investigación confía en que con la instalación completa de los dos detectores de KM3NeT, ARCA y ORCA, se pueda arrojar nueva luz sobre el misterio de la procedencia de los neutrinos cósmicos.