Una colaboración internacional con participación del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, UV-CSIC) acaba de publicar en ‘Nature’ la detección del neutrino más energético jamás detectado. El hallazgo, portada de la prestigiosa revista, muestra el potencial de este experimento para estudiar el cosmos a través de los neutrinos, la segunda partícula más abundante del universo tras la luz. La colaboración española en KM3NeT está coordinada por el físico de la Universitat de València Juan de Dios Zornoza Gómez.
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 jamás 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 en un artículo publicado en Nature.
El evento detectado se identificó como 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/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 su 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.
“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 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, aunque es difícil llegar a conclusiones sobre su origen, según 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.
Participación española en KM3NeT
La colaboración KM3NeT reúne a más de 360 científicos y científicas, ingenieros e ingenieras, personal técnico y estudiantes de 68 instituciones y 22 países. En España participan el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, UV-CSIC), la Universitat Politècnica de València (UPV), la Universidad de Granada, la Unidad Mixta del Instituto Español de Oceanografía (IEO, CSIC) y el LAB de la Universitat Politècnica de Catalunya.
Coordinada por el físico de la Universitat de València en el IFIC Juan de Dios Zornoza Gómez, la participación de los grupos españoles en KM3NeT está financiada por diversos programas del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, así como por programas europeos y regionales (Generalitat Valenciana y Junta de Andalucía).
El grupo del IFIC –denominado VEGA (Valencia Experimental Group of Astroparticles) está formado por una veintena de miembros, hombres y mujeres también de la ciencia y la ingeniería. “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 los equipos investigadores españoles confían 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 Países Bajos.
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