Detectan el neutrino con más energía de la historia con un telescopio bajo el mar
El 13 de febrero de 2023, el detector submarino Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss (ARCA) de KM3NeT, situado a casi 3,500 metros de profundidad en el mar Mediterrráneo, frente a las costas de Portopalo di Capo Passero, en Sicilia, captó una señal que, según los científicos, era la de un neutrino cósmico con una energía superior a 200 PeV, es decir 1,015 electronvoltios. El electrónvoltio es una unidad de energía utilizada en física de partículas.
Para dar una idea del orden de magnitud, el neutrino más energético detectado hasta ahora tenía una energía inferior a 10 PeV. Los responsables del experimento, investigadores de Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN), en colaboración con otros 21 países, pasaron los últimos dos años analizando y descartando cualquier otra posibilidad. Publicaron sus hallazgos en la revista Nature. El descubrimiento representa un hito en la física de astropartículas y abre perspectivas inexploradas en el campo de la astronomía de neutrinos. La caracterización del neutrino cósmico nos ayudará a comprender la dinámica de sus fuentes potenciales, como los núcleos galácticos activos, los estallidos de rayos gamma y las supernovas.
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¿Qué son los neutrinos cósmicos?
Los neutrinos son partículas subatómicas sin carga eléctrica y con una masa increíblemente pequeña. Una de sus características principales es su interacción débil con la materia, lo que significa que miles de millones de neutrinos atraviesan el espacio, nuestro planeta y nuestros cuerpos sin dejar rastro. Este mismo rasgo los hace especiales: actúan como mensajeros cósmicos, transportando información directamente desde su fuente hasta los detectores de la Tierra.
Los mecanismos por los que se producen son diversos, y muchos de ellos aún no se comprenden del todo. Actualmente sabemos que se producen a una amplia gama de energías y en muchos procesos diferentes. Por ejemplo, sabemos que los procesos de fusión nuclear del Sol producen grandes cantidades de neutrinos de baja energía, mientras que los acontecimientos cósmicos «apocalípticos», como las explosiones estelares o la actividad de los agujeros negros, crean neutrinos a energías mucho mayores. Los neutrinos cósmicos son los que se producen cuando los rayos cósmicos ultrarelativistas, partículas producidas en el espacio exterior, interactúan con materia o fotones, y su observación podría ser una firma de estos procesos. Los llamados neutrinos cosmogénicos son el producto de las interacciones de los rayos cósmicos con los fotones de la radiación cósmica de fondo. Por tanto, la detección de neutrinos cósmicos es de vital importancia, ya que puede proporcionar información única sobre los mecanismos implicados en los fenómenos más energéticos del Universo, permitiéndonos «explorar» sus confines más lejanos.
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Ojos submarinos
El instrumento con el que se detectó el neutrino cósmico forma parte de la infraestructura KM3NeT, un conjunto de telescopios situados en las profundidades del mar Mediterráneo y compuesto por dos conjuntos de detectores: ARCA y ORCA, ambos especializados en el estudio de neutrinos.
El segundo, que no está implicado en el descubrimiento, detectar las llamadas «oscilaciones» de neutrinos, es decir, el fenómeno por el cual los neutrinos de un tipo se transforman en tres categorías de neutrinos: electrón, muón y tauón. ORCA se encuentra a 2,450 metros de profundidad frente a la costa de Tolón, Francia. Por su parte, ARCA estudia los neutrinos cósmicos de muy alta energía y se encuentra frente a Capo Passero, en Sicilia. Sus detectores consisten en líneas verticales de sensores ópticos que registran un tipo particular de luz, la llamada «luz Čerenkov», emitida por partículas cargadas que pasan a través de ellos.
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¿Cómo se descubrió el neutrino cósmico?
«Ocurrió el 13 de febrero de 2023. Los detectores de ARCA observaron el rastro de un muón que se desplazaba en dirección horizontal, lo que generó una enorme cantidad de señales luminosas. Medimos que la energía del muón era de 120 PeV. Suponiendo que está asociado a un neutrino muónico, estimamos que la energía de este neutrino es de al menos 220 PeV», declara Carla Distefano, investigadora principal de los Laboratorios Nacionales del Sur del INFN.
El evento, denominado KM3-230213A, fue tan potente que generó señales en más de un tercio de los sensores activos. «Antes de que pudiéramos decir con seguridad que se trataba de un neutrino cósmico, trabajamos durante mucho tiempo para descartar todas las demás posibilidades», señala Distefano. Añade que, el análisis demostró la improbabilidad de que se trate de un neutrino atmosférico; la prueba más convincente de la naturaleza de la señal es la inclinación de la trayectoria y la energía, que sugiere que el muón fue generado por un neutrino cósmico en interacción con las proximidades del detector.
«La horizontalidad de la trayectoria es coherente con lo que esperamos de la teoría, también indica que el neutrino salió del horizonte y llegó a los detectores», describe Distefano. Lo más interesante es que la señal se captó en un momento en el que la configuración del instrumento estaba a una décima parte de su potencial, lo que subraya la capacidad del experimento.
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Qué lo produjo y dónde
Por el momento, el origen exacto del neutrino cósmico sigue siendo incierto, pero los investigadores proponen algunas explicaciones. «Hemos escaneado la porción del cielo de la que procede el neutrino y buscado en los archivos históricos posibles sucesos transitorios. Todo sugiere que este neutrino nos llegó de fuera de nuestra galaxia«, afirma Distefano.
Alternativamente, podría tratarse del primer ejemplo de neutrino cosmogénico, no obstante, las características de este tipo dependen de parámetros físicos que aún no conocemos. Al caracterizar esta categoría de neutrino podremos empezar a estudiar los parámetros. Por lo tanto, serán necesarias más observaciones de sucesos similares para disipar dudas: «Esperemos que ocurra con futuras ampliaciones del detector con nuevas unidades y la adquisición de nuevos datos», concluye Distefano.
Artículo originalmente publicado en WIRED Italia. Adaptado por Alondra Flores.