Un detector en el fondo del Mediterráneo capta el neutrino de mayor energía jamás observado: «Es un mensajero cósmico”

Un equipo internacional de científicos de la colaboración KM3NeT ha detectado la señal del neutrino cósmico de más alta energía hasta la fecha, unas 30 veces superior a la de los detectados anteriormente. El resultado, publicado este martes en la revista Nature, sugiere que la partícula procedía de más allá de la Vía Láctea, aunque su origen preciso aún está por determinar. 

Los neutrinos son partículas elementales, conocidas a veces como partículas ‘fantasma’ porque rara vez interactúan con los componentes subatómicos de la materia, como los protones y los neutrones. Por ello, la detección de neutrinos cósmicos es difícil y requiere el uso de miles de cámaras de alta sensibilidad incrustadas en grandes cuerpos de materia transparente, como el hielo o el agua. 

El Telescopio de Neutrinos de Kilómetros Cúbicos (KM3NeT) está formado por dos detectores, ARCA y ORCA, sumergidos a profundidades de 3.450 y 2.450 metros en el fondo del mar Mediterráneo, cerca de Sicilia (Italia) y Provenza (Francia), que registraron la cascada de reacciones que permite reconstruir el impacto del neutrino. El 13 de febrero de 2023, el detector ARCA observó la señal de un muón de alta energía, de alrededor de 120 petaelectronvoltios (PeV; un PeV equivale a un cuatrillón de electronvoltios). Los autores proponen que el neutrino que generó este muón tenía una energía aún mayor, de alrededor de 220 PeV.

Mensajeros cósmicos

“Para poner esto en perspectiva, está 10.000 veces por encima de lo que está alcanzando el acelerador LHC en el CERN en términos de energía de las partículas aceleradas”, explica Aart Heijboer, del Instituto Nacional Nikhef de Física Subatómica, en Países Bajos, en un encuentro con periodistas. “Sabemos que hay objetos que pueden acelerar partículas hasta energías extremas y los neutrinos son una forma muy buena de estudiarlos, porque no son absorbidos ni desviados por los campos magnéticos y ofrecen una perspectiva única. En cierto modo, se abre un nuevo régimen para estudiar el cosmos”.

En las entrañas de uno de los detectores.

“Hemos detectado, con diferencia, el neutrino más energético jamás observado”, añade Paschal Coyle, del Centro de Física de Partículas de Marsella (CPPM) y coautor del descubrimiento. “Su energía es tal, que se encuentra en un rango completamente inexplorado, 30 veces por encima de cualquier observación anterior. Acabamos de abrir una ventana completamente nueva al universo”.

“Los neutrinos son una de las partículas elementales más misteriosas”, 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. “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”.

Un misterioso origen

Dada la profundidad del detector y la dirección casi horizontal del muón, los investigadores concluyen que lo más probable es que el neutrino fuera de origen cósmico. De momento han identificado doce blázares potenciales (núcleos brillantes de galaxias activas) que son compatibles con la dirección estimada desde la que viajó el neutrino, pero ninguno puede identificarse claramente como la fuente astrofísica del neutrino. Los autores también han propuesto la posibilidad de que pudiera ser un neutrino “cosmogénico”, resultante de la interacción de los rayos cósmicos con los fotones del fondo cósmico de microondas. 

Interior del Telescopio de Neutrinos de Kilómetros Cúbicos (KM3NeT).

“Esta observación supone la primera evidencia de la existencia de neutrinos con energías extremadamente altas en la naturaleza”, comenta Mariam Tórtola, profesora titular en el departamento de Física Teórica de la Universitat de València y en el Instituto de Física Corpuscular (IFIC), al SMC. En su opinión, la principal limitación de este trabajo radica en la dificultad de identificar el origen de la señal, especialmente cuando se cuenta con un único neutrino. “La instalación completa de KM3NeT/ARCA aumentará significativamente la sensibilidad del detector a sucesos de muy altas energías, mejorando así su capacidad para identificar las fuentes de estos neutrinos cósmicos”.

“Podría ser la primera detección de un neutrino cosmogénico”, asegura Valentina De Romeri, investigadora CIDEGENT en el Instituto de Física Corpuscular (IFIC). “Tampoco se descartan otros posibles orígenes, por ejemplo, relacionados con nueva física, como podría ser un candidato a materia oscura muy masivo”.

Módulo de detección de KM3NeT antes de desplegarse en el mar.

Carlos Pobes, investigador del Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA), considera que el hallazgo es sorprendente. “Resulta excitante, pero es tan excepcional que nos obliga a ser cautos”, dice al SMC. Cabe la posibilidad, apunta, de que se hayan ‘alineado’ varios elementos intermedios del detector para producir una señal anormalmente alta aun cuando el neutrino original fuese de una energía sensiblemente menor y por tanto menos excepcional. En cualquier caso, señala, “estamos viviendo en directo el nacimiento de una nueva forma de mirar al universo, y este evento nos confirma que KM3NeT es ya una realidad”.

En el KM3NeT participan varios grupos científicos españoles, entre ellos el Instituto de Física Corpuscular (IFIC-CSIC) y la Universitat de València, el Instituto Español de Oceanografía y la Universitat Politènica de València. “Los grupos que forman parte de KM3NeT, además de participar en la construcción de varios elementos del telescopio, cubren diversas líneas de investigación”, explica el profesor de la UV Juan de Dios Zornoza Gómez, coordinador de los grupos españoles en KM3NeT. “También trabajamos en las implicaciones de este extraordinario suceso y en su conocimiento más profundo”.