Llega del cosmos un neutrino con la mayor energía conocida

El análisis detallado de la detección de un neutrino con una energía colosal ha permitido confirmar que se trata del más energético de entre todos los detectados hasta ahora.

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 mucho mayor que las partículas que produce el LHC del CERN: unos 220 PeV (220.000 billones de electronvoltios). Este evento, llamado KM3-230213A, es el neutrino más energético observado hasta la fecha y proporciona la primera evidencia de que, en el universo, se producen neutrinos de estas características. Después de un largo y meticuloso trabajo para analizar e interpretar los datos, la colaboración de KM3NeT acaba de informar de los detalles de este hallazgo.

El evento detectado se identificó gracias a un muon (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 (del 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 en cuya física todavía hay muchas cosas que se desconocen. Estos poderosos aceleradores cósmicos naturales generan flujos de partículas llamadas rayos cósmicos, que pueden interaccionar con la materia de su alrededor produciendo neutrinos y fotones. Durante su viaje por el universo, los rayos cósmicos más energéticos pueden interactuar con los fotones del fondo cósmico de microondas, la “primera luz” tras el nacimiento del universo, para producir neutrinos extremadamente energéticos, llamados cosmogénicos.

“Los neutrinos son partículas elementales muy misteriosas. No tienen carga eléctrica, apenas 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 se trata de la segunda partícula más abundante del universo, después de los fotones que forman la luz, la interacción extremadamente débil de los neutrinos con la materia hace que estos sean muy difíciles de identificar, por lo que se requieren detectores enormes. El telescopio KM3NeT, actualmente en construcción, es una gigantesca infraestructura en el fondo del mar que contiene dos detectores – ARCA y ORCA– y que utiliza el agua del mar como medio de interacción para detectar los neutrinos. Sus módulos ópticos de alta tecnología captan la luz Cherenkov, un resplandor azulado que genera la propagación en el agua de partículas ultrarrelativistas resultantes de las interacciones con neutrinos.

Las futuras observaciones se centrarán en detectar más eventos de este tipo para intentar conocerlos mejor.

Recreación de la captación por KM3NeT de la luz Cherenkov emitida por la interacción del neutrino. (Imagen: KM3NeT Collaboration)

Participación española en KM3NeT

La colaboración KM3NeT reúne a más de 360 especialistas de 68 instituciones y 22 países. En España participan el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, dependiente de la Universidad de Valencia (UV) y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas), la Universidad Politécnica de Valencia (UPV), la Universidad de Granada, el Instituto Español de Oceanografía (IEO, del CSIC) y la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC).

La participación de los grupos españoles en KM3NeT está coordinada por Juan de Dios Zornoza Gómez, físico de la Universidad de Valencia en el IFIC.

El grupo VEGA (Valencia Experimental Group of Astroparticles) del IFIC está formado por una veintena de miembros. “En nuestro laboratorio se han diseñado y testeado algunos de los elementos clave del detector, como las tarjetas electrónicas principales de adquisición, y algunos elementos para la calibración. Además, hemos participado e incluso liderado varios análisis sobre astronomía multimensajero, oscilaciones de neutrinos o búsqueda de materia oscura y de nueva física a través de los neutrinos, entre otros. El plan es continuar el trabajo en todos estos frentes”, explica Juan de Dios Zornoza. “Estamos trabajando para llegar a un conocimiento más profundo de este extraordinario suceso y esperamos continuar cosechando nuevos resultados conforme al gran volumen de oportunidades que ofrece la astronomía de neutrinos”, concluye Juan José Hernández Rey, profesor de investigación del CSIC y fundador del grupo VEGA en el IFIC.

Astronomía de neutrinos

El área de la astronomía de neutrinos se encuentra en plena expansión, y el equipo de la colaboración KM3NeT confía en que, una vez completa la instalación de los dos detectores de KM3NeT, se obtengan nuevos datos 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, el hallazgo se produjo 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”, añade finalmente 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 los Países Bajos.

El estudio se titula “Observation of an Ultra-High-Energy Cosmic Neutrino with KM3NeT”. Y se ha publicado en la revista académica Nature. (Fuente: Universitat de València)