Un telescopio en el fondo del Mediterráneo capta el neutrino cósmico de mayor energía jamás detectado
Un observatorio internacional submarino, con participación española, ha detectado el neutrino más energético registrado hasta la fecha, proveniente del espacio profundo. Este hallazgo, publicado en Nature, supone un hito en la astronomía de los neutrinos.
Por Enrique Coperías
Cuando esté finalizado, el telescopio de neutrinos KM3NeT contará con 345 unidades de detección, cada una compuesta por un cable submarino de varios cientos de metros, equipado con una serie de módulos similares al de la imagen. Cortesía: KM3NeT
El 13 de febrero de 2023, el detector ARCA del telescopio KM3NeT, registró un evento sin precedentes en las profundidades del océano: un neutrino con una energía estimada en 220 PeV (220 x 10¹⁵ electronvoltios, o 220 millones de miles de millones de electronvoltios).
Este fenómeno, denominado KM3-230213A, es el neutrino más energético jamás detectado, y proporcionó la primera evidencia de que el universo puede generar neutrinos con energías tan extremas. Tras un exhaustivo análisis de los datos, la colaboración científica internacional del KM3NeTacaba de publicar los detalles de este hallazgo en la revista Nature.
El evento se identificó como un único muón atravesando el detector, generando señales en más de un tercio de los sensores activos. La inclinación de su trayectoria, combinada con su enorme energía, confirma que el muón se originó a partir de la interacción de un neutrino cósmico en las cercanías del detector.
Un megatelescopio submarino aún en construcción
El KM3NeT (Kilometer Cube Neutrino Telescope) es un innovador telescopio de neutrinos en construcción en las profundidades del mar Mediterráneo, que ha sido diseñado para estudiar estas esquivas partículas con una precisión sin precedentes. Su infraestructura, distribuida en dos detectores principales —ARCA y ORCA—, abarca un volumen superior a un kilómetro cúbico de agua de mar y está equipada con miles de sensores ópticos de alta tecnología capaces de detectar la luz Cherenkov producida por la interacción de neutrinos con el medio acuático.
Recordemos que la luz Cherenkov es, de forma muy resumida, un resplandor azulado producido cuando una partícula cargada viaja a través de un medio dieléctrico, como el agua, a una velocidad superior a la de la luz en ese medio, generando una onda de choque electromagnética similar al boom sónico.
ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss), está diseñado para estudiar los neutrinos de mayor energía y sus fuentes en el universo. Se encuentra a 3.450 metros de profundidad, a unos 80 km de la costa de Portopalo di Capo Passero, en Sicilia. Sus unidades de detección (DU) de 700 metros de altura están ancladas al lecho marino y separadas por aproximadamente 100 metros.
Un científico examina detectores de neutrinos del telescopio KM3NeT.
Investigar las propiedades fundamentales del neutrino
Cada unidad cuenta con dieciocho módulos ópticos digitales (DOM), cada uno equipado con 31 fotomultiplicadores (PMT). En su configuración final, ARCA estará compuesto por 230 unidades de detección. Los datos recopilados se transmiten mediante un cable submarino a la estación costera del INFN Laboratori Nazionali del Sud.
Por su parte, ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) está optimizado para investigar las propiedades fundamentales del neutrino. Situado a 2.450 metros de profundidad y a unos 40 km de la costa de Toulon, en Francia, contará con 115 unidades de detección, cada una de 200 metros de altura y separadas por 20 metros. Los datos obtenidos en ORCA se envían a la estación costera de La Seyne Sur Mer.
La escala sin precedentes del KM3NeT y su ubicación estratégica permiten investigar algunos de los fenómenos más extremos del cosmos, como explosiones de supernovas, estallidos de rayos gamma y fusiones de agujeros negros, además de contribuir al avance en la comprensión de la materia oscura y la física de partículas.
Un neutrino de cientos de PeV
Su desarrollo involucra a más de 360 científicos, ingenieros y técnicos de veintiún países, y se erige como uno de los experimentos más ambiciosos en el campo de la astropartículas y la astronomía.
«KM3NeT ha comenzado a explorar un rango de energía y sensibilidad en el que los neutrinos detectados pueden proceder de fenómenos astrofísicos extremos —dice Paschal Coyle, portavoz del KM3NeT en el momento de la detección e investigador del Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)–Centre de Physique des Particules de Marseille, en Francia. Y añade, en un comunicado del citado CNRS—: Esta primera detección de un neutrino de cientos de PeV marca un hito en la astronomía de neutrinos y abre una nueva ventana de observación del universo».
Las regiones donde suceden fusión de agujeros negros supermasivos, explosiones de supernovas o estallidos de rayos gamma funcionan como poderosos aceleradores cósmicos que generan torrentes de partículas conocidas como rayos cósmicos. Algunos de estos rayos interactúan con la materia o con fotones cercanos a su fuente, produciendo neutrinos y fotones.
¿Qué son los neutrinos?
En su viaje a través del universo, los rayos cósmicos más energéticos pueden también colisionar con los fotones del fondo cósmico de microondas —la radiación residual del big bang—, lo que genera neutrinos cosmogénicos extremadamente energéticos.
«Los neutrinos son una de las partículas elementales más enigmáticas. No tienen carga eléctrica, poseen una masa casi nula e interactúan de forma extremadamente débil con la materia —explica Rosa Coniglione, portavoz adjunta del KM3NeT en el momento de la detección e investigadora del Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN), en Italia. Y continúa—: Son mensajeros cósmicos únicos, capaces de proporcionarnos información invaluable sobre los procesos más energéticos del universo y permitirnos explorar sus confines más remotos».
Aunque los neutrinos son la segunda partícula más abundante del universo, después de los fotones, su interacción mínima con la materia hace que su detección requiera enormes infraestructuras, como el KM3NeT, que ha detectado el neutrino de 220 PeV.
Recreación de la captación por KM3NeT de la luz Cherenkov emitida por la interacción del neutrino. Cortesía: KM3NeT
200.000 fotomultiplicadores
«Determinar la dirección y la energía de este neutrino exigió una calibración minuciosa del telescopio y algoritmos avanzados de reconstrucción de trazas —apunta Aart Heijboer, director de Física y Software dle KM3NeT en el momento del hallazgo e investigador del Instituto Nacional de Física Subatómica Nikhef, en los Países Bajos. Y añade—: Además, esta detección se logró con solo una décima parte de la configuración final del detector, lo que subraya el enorme potencial de KM3NeT para la astronomía de neutrinos».
"La magnitud de KM3NeT, que alcanzará cerca de un kilómetro cúbico de volumen con aproximadamente 200.000 fotomultiplicadores, junto con su ubicación en las profundidades del Mediterráneo, evidencia los esfuerzos extraordinarios necesarios para avanzar en la astronomía de neutrinos y la física de partículas —dice Miles Lindsey Clark, director técnico del Proyecto KM3NeT en el momento de la detección e ingeniero de investigación en el CNRS - Laboratorio de Astropartículas y Cosmología, en Francia. Y continúa—: La detección de este evento es el fruto de una colaboración internacional que involucra a numerosos equipos de ingenieros, técnicos y científicos».
El neutrino de ultraalta energía cazado podría haber sido generado directamente por un acelerador cósmico extremadamente potente. Alternativamente, podría representar la primera detección de un neutrino cosmogénico. No obstante, con un solo evento registrado, resulta difícil determinar su origen con certeza.
Las investigaciones futuras se centrarán en la identificación de más neutrinos de este tipo para construir una imagen más completa. La continua expansión de KM3NeT, con la incorporación de nuevas unidades de detección y la adquisición de más datos, mejorará su sensibilidad y capacidad para identificar fuentes de neutrinos cósmicos, consolidándolo como un actor clave en la astronomía de múltiples mensajeros. ▪️
Información facilitada por el CNRS
Fuente: The KM3NeT Collaboration. Observation of an ultra-high-energy cosmic neutrino with KM3NeT. Nature (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08543-1
