Un observatorio internacional bajo el mar, con participación española, ha detectado el neutrino más energético hallado hasta ahora, procedente del espacio profundo. Estas partículas elementales nos atraviesan a millones a cada momento, sobre todo procedentes del Sol, pero encontrar una de origen cósmico de ultra-alta energía es un evento muy raro.
En las profundidades del Mediterráneo se construye un inmenso telescopio. Podría parecer un sinsentido: “Típicamente, un astrónomo se va a lo alto de una montaña. Nosotros nos hemos ido al fondo del mar”, cuenta a SINC el físico Juande Zornoza, investigador principal del grupo del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, Universitat de València/CSIC) en este proyecto. “Y no solamente eso, sino que además ¡miramos hacia abajo!”, añade.
Típicamente, un astrónomo se va a lo alto de una montaña. Nosotros nos hemos ido al fondo del mar
El telescopio KM3NeT (por el inglés Cubic Kilometre Neutrino Telescope) no observa luz visible, sino unas diminutas partículas llamadas neutrinos. Y a pesar de estar aún en construcción, ha sorprendido a la comunidad científica al detectar el neutrino cósmico más energético jamás hallado.
Partículas muy abundantes, pero esquivas
Los neutrinos son partículas elementales que se producen en diversos tipos de desintegración radiactiva, en fenómenos cósmicos, pero también mucho más cerca, en las reacciones nucleares. No son precisamente escasos; son la segunda partícula más abundante del universo después de los fotones luminosos.
La principal fuente de los que llegan a nosotros es la fusión nuclear en el Sol. Se calcula que una superficie del tamaño de una uña se ve atravesada cada segundo por 100 000 millones de neutrinos solares que viajan a una velocidad cercana a la de la luz. No nos enteramos porque no dejan rastro de su paso: al carecer de carga y con una masa ínfima, raramente interaccionan con la materia.
Una superficie del tamaño de una uña se ve atravesada cada segundo por 100 000 millones de neutrinos solares que viajan a una velocidad cercana a la de la luz
Así, para observar neutrinos se necesita un telescopio extremadamente sensible en un lugar sin interferencias, en un medio transparente como el mar o el hielo —este es el caso de IceCube en el Polo Sur, el mayor del mundo—.
“Eso es porque queremos evitar el fondo producido por los rayos cósmicos en la atmósfera”, explica Zornoza. “Son muchísimas las partículas de ese fondo que vienen desde arriba. Para los sucesos que vienen desde abajo (o, como en este caso, muy horizontales), la gran cantidad de roca o agua que tienen que atravesar nos filtra ese fondo”.
Una gran colaboración internacional
KM3Net es una colaboración internacional de 360 personas pertenecientes a 68 instituciones de 22 países. Es el sucesor de ANTARES, un telescopio de neutrinos situado bajo el Mediterráneo frente a la costa de Tolón que funcionó hasta 2022. KM3Net es infinitamente más ambicioso que su predecesor: consta de dos instalaciones, ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss), a 40 kilómetros de Tolón y a 2.450 metros bajo el mar, y ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss), a 3 450 metros de profundidad y a 80 kilómetros de la localidad siciliana de Portopalo di Capo Passero.
El primero estudia las propiedades de los neutrinos, mientras que el segundo se dedica a cazar los neutrinos cósmicos de más alta energía. Una vez completado, KM3Net ocupará más de 1 kilómetro cúbico, con 345 unidades de detección; cada una de ellas es un cable de cientos de metros anclado al fondo, con 18 módulos esféricos, como las cuentas de un collar, que contienen los detectores. En total, contará con unos 200 000 sensores que convierten los fotones de ese débil relámpago de luz provocado por los neutrinos en señales eléctricas.
Con solo el 10 % de la instalación ya construida, KM3Net ha conseguido algo que “es como ganar la gran lotería”, decía el investigador principal del IceCube antártico, Francis Halzen
Una representación de la detección del muon neutrino en KM3NeT. El dibujo de la torre Eiffel permite apreciar la escala de los cables que forman las unidades de detección. / KM3NeT
Origen incierto
Los detalles se han publicado por fin esta semana en el artículo de portada de la revista Nature: el 13 de febrero de 2023 el ARCA captó un muon, una partícula generada por un neutrino cerca del detector al colisionar contra el agua o la roca, con una energía de 120 petaelectronvoltios (PeV). La estimación de los científicos es que la energía del neutrino original, bautizado como KM3-230213A, era de 220 PeV.
La energía del neutrino detectado es más de 31 000 veces mayor que la generada en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), y supera en 30 veces a los neutrinos más energéticos detectados por el IceCube
Según Zornoza, KM3NeT cuenta con ciertas ventajas respecto al telescopio antártico, de mayor tamaño y que lleva varios años funcionando: “En el agua, la resolución angular es mejor, sabemos mejor de dónde viene el neutrino”. Además, añade, desde el Mediterráneo se observa mejor nuestra propia galaxia. Pero nada de ello ha tenido que ver con el récord de KM3NeT sobre su competidor. “Parece que hemos tenido más suerte que ellos”, sentencia el físico.
Un neutrino de origen cósmico
En un comentario al estudio en Nature, el físico Erik Blaufuss, de la Universidad de Maryland, apunta que la probabilidad de que ARCA cazara un neutrino tan energético frente a otras instalaciones era del 0,5 %: “Una probabilidad escasa, pero posible”.
En cuanto a la procedencia del neutrino, tanto su elevadísima energía como su trayectoria casi horizontal a través del bosque submarino de detectores indican que no viene precisamente de nuestras cercanías: “Es muy, muy improbable que una de esas partículas de fondo haya atravesado esas varias decenas de kilómetros de roca y agua para llegar al detector. Por lo tanto, pensamos que es genuinamente un neutrino de origen cósmico”, resume Zornoza.
Aunque aún no se conoce la procedencia del neutrino, en su dirección de origen los científicos han identificado 12 posibles blázares, núcleos activos de galaxias.
Alternativamente, los rayos cósmicos así disparados podrían haber colisionado con fotones de una radiación de fondo que permea el universo y que permanece como reliquia del Big Bang. En este caso, se trataría de la primera detección de uno de estos neutrinos llamados cosmogénicos.
Sin embargo, según comenta a Science Media Centre España el físico Carlos Pobes, que no participa en el estudio pero trabajó en el IceCube, estos neutrinos cosmogénicos deberían llovernos constantemente y en todas direcciones, por lo que esta hipótesis “choca con la dificultad de que IceCube no haya detectado ningún evento”.
Participación española
En el futuro, los científicos esperan que nuevas detecciones, con un KM3NeT más completo, ayuden a determinar con mayor precisión el origen de estos neutrinos de ultra-alta energía cuya existencia ha quedado probada.
En este hito de la llamada astronomía multimensajero, que combina distintas señales para escudriñar los misterios del universo, España desempeña un papel muy activo
Además de la veintena de científicos e ingenieros del IFIC, participan la Universitat Politècnica de València, la Universidad de Granada y grupos de ciencias marinas que aprovechan la infraestructura para sus investigaciones: el Instituto Español de Oceanografía en Murcia, el LAB de Vilanova i la Geltrú y el Institut de Ciències del Mar del CSIC en Barcelona. “Un equipo humano muy potente. Son todo un orgullo”, concluye Zornoza.
Referencia:
Aiello, S. et al., «Observation of an ultra-high-energy cosmic neutrino with KM3NeT», Nature (2025)