Jonathan O’Callaghan cuenta cómo un vasto telescopio de aguas profundas bajo el mar Mediterráneo capturó los neutrinos más energéticos jamás registrados, brindando a los científicos una visión sin precedentes de los eventos cósmicos extremos que dan forma a nuestro universo.
En lo profundo del mar Mediterráneo, los científicos han registrado el neutrino más energético jamás detectado. Actualmente están estudiando qué puede revelar esta esquiva partícula sobre el universo en el que vivimos.
Bajo las olas del mar Mediterráneo, el telescopio europeo de neutrinos KM3NeT explora el espacio. Un imponente conjunto de sensores se extiende un kilómetro hasta el fondo del océano y está dispuesto en una vasta cuadrícula 3D.
¿Cuál es su misión? Se trata de capturar partículas subatómicas fantasmales llamadas neutrinos. Los neutrinos son mensajeros que pueden atravesar el universo sin obstáculos, incluso a través de planetas y estrellas, llevando pistas sobre acontecimientos mucho más allá de nuestro sistema solar.
En las primeras horas de la mañana del 13 de febrero de 2023, KM3NeT detectó algo sorprendente. El intenso destello de energía pura marcó los neutrinos más energéticos jamás observados. Esto fue 30 veces mayor que el récord anterior. Desde entonces, los científicos han estado tratando de descubrir de dónde vino.
¿Por qué perseguir neutrinos?
Los neutrinos fueron teorizados por primera vez en la década de 1930 y detectados décadas después. Se encuentran entre las partículas más abundantes del universo, pero también las más esquivas.
Cada segundo, miles de millones de neutrinos atraviesan nuestro cuerpo sin dejar rastro. Casi no tienen carga ni masa y son al menos un millón de veces más ligeros que los electrones, lo que los hace muy difíciles de detectar porque rara vez interactúan con la materia.
Es esta cualidad fantasmal la que los hace tan atractivos para los físicos.
«Los neutrinos son las partículas más interesantes en este momento», afirmó Pascal Coyle, del Centro Nacional Francés de Investigación Científica. Está coordinando un proyecto financiado por la UE llamado KM3NeT-INFRADEV2 que apoya el desarrollo de la infraestructura KM3NeT. «Hay muchos misterios a su alrededor. Son las partículas fundamentales menos comprendidas».
Debido a que los neutrinos pueden atravesar el universo sin ser absorbidos, transportan información primordial de los entornos más extremos conocidos por la ciencia, incluidas estrellas en explosión, agujeros negros y colisiones cósmicas.
Estudiarlos podría revelar cómo funciona el universo e incluso por qué existe la materia.
«Los neutrinos son lo más parecido que podemos imaginar, pero son la clave para comprender completamente cómo funciona el universo», dice Coyle.
cazador de fantasmas
Los neutrinos pueden chocar con los núcleos atómicos, creando una lluvia de partículas secundarias. En materiales densos y transparentes como el hielo y el agua, esta colisión libera un tenue destello azul conocido como radiación Cerenkov. El sensor de KM3NeT está diseñado para captar esta señal.
Este enfoque también lo comparten otros observatorios de neutrinos, incluidos IceCube en la Antártida y Super-Kamiokande en Japón. IceCube escanea el hielo profundo de las regiones polares y KM3NeT observa las oscuras aguas del mar Mediterráneo.
KM3NeT es una de las infraestructuras de investigación emblemáticas de Europa y uno de los proyectos de física más ambiciosos del mundo. Cuenta con el apoyo de un consorcio internacional de fondos nacionales y de la UE y consta de dos instalaciones separadas.
ARCA (Astroarticle Research with Cosmics in the Abyss) tiene su sede frente a la costa de Sicilia y está diseñado para rastrear neutrinos de alta energía desde el espacio profundo. ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss), ubicada cerca de Toulon, Francia, se centra en el comportamiento y la masa de los neutrinos.
Cada conjunto está construido a partir de una línea vertical de esferas de vidrio del tamaño de una pelota de baloncesto que contienen sensores ópticos ultrasensibles. Estas líneas se elevan desde el fondo del océano como rascacielos submarinos y se extienden un kilómetro en la oscuridad. Ya se han implementado más de 1.000 módulos y está previsto implementar 6.000 módulos para 2027.
«Parecía una idea descabellada construir un detector en el fondo del océano para capturar estas partículas tan extrañas», dijo Aalt Heyboer, físico del Instituto Nacional de Física Subatómica de los Países Bajos, quien ayudó a diseñar el telescopio. «Capturó mi imaginación».
Toda esta ingeniería tiene un único propósito. Es un raro destello de vislumbre de neutrinos cuando finalmente hacen su aparición.
señal récord
Un neutrino detectado en 2023, denominado KM3-230213A, registró una carga de energía de 220 petaelectronvoltios (PeV). Este es un número muy grande para una sola partícula y es casi impensable en física de partículas. «Nunca esperábamos que ocurriera un evento como este», dijo Coyle. «Tuvimos que rehacer un montón de simulaciones».
¿De dónde vino? Sigue siendo un gran misterio.
Los neutrinos son producidos por una variedad de fuentes, desde las reacciones nucleares que alimentan al sol hasta la explosión de estrellas (supernovas) y otros fenómenos cósmicos de alta energía. Una teoría propone que los neutrinos más energéticos provienen de blazares, galaxias activas donde los agujeros negros supermasivos lanzan chorros de energía directamente a la Tierra.
Otra posibilidad es que los rayos cósmicos de alta energía que fluyen a través del espacio choquen con fotones de luz y produzcan neutrinos. Si KM3-230213A se produjera de esta manera, sugeriría que los neutrinos cosmogénicos son más comunes de lo esperado.
«O tal vez simplemente tuve suerte», admite Coyle. «Es posible que KM3NeT haya descubierto accidentalmente un neutrino raro y de muy alta energía».
Los investigadores están perfeccionando sus cálculos para rastrear sus orígenes exactos. «Podremos medir esa dirección con mayor precisión en los próximos meses», dijo Haiboer. «Si es de una chaqueta, es muy emocionante. Si es cosmogénico, también es emocionante».
Explorando las propiedades de la materia.
Mientras ARCA busca la fuente de las partículas más poderosas del universo, ORCA se centra en cómo los neutrinos cambian de identidad u oscilan entre tres «sabores» diferentes (electrones, muones y tau) a medida que viajan por el universo.
Estas oscilaciones podrían revelar el orden de las masas de los neutrinos, una pieza faltante en el Modelo Estándar de la física, la teoría que describe las partículas fundamentales de la materia. El orden de masa se refiere al orden de los tres estados de masa de los neutrinos, del más ligero al más pesado.
¿Por qué es esto importante? Porque comprender los neutrinos puede explicar por qué hay algo en lugar de nada.
Después del Big Bang, hace 13.700 millones de años, se suponía que la materia y la antimateria se destruirían entre sí, dejando sólo el espacio vacío. Sin embargo, el material sobrevivió. Los neutrinos podrían ser la clave, especialmente si resultan ser sus propias antipartículas, una posibilidad que los científicos quieren probar.
«Todos los experimentos que intentan medir la diferencia entre neutrinos y antineutrinos son confusos porque no sabemos cuál es el orden de masa», explicó Coyle. «Esta es información importante para comprender por qué existe materia en lugar de antimateria».
Beneficios europeos de las profundidades marinas
Con la construcción de KM3NeT, Europa se ha asegurado un papel de liderazgo en este esfuerzo científico global. «Es muy importante que recibimos financiación de la UE en 2006 para realizar un estudio de diseño», dijo Coyle. A partir de ahí, con apoyo europeo y nacional adicional, el concepto se convirtió en realidad.
Esa inversión ya está dando sus frutos, con detecciones como KM3-230213A y se esperan más descubrimientos a medida que el telescopio se expanda.
«No conocemos sus masas, no conocemos su orden de masa y no sabemos si son antipartículas únicas», dice Coyle. «Así que los neutrinos existen en este momento».
Con miles de sensores más aún por desplegar, KM3NeT no sólo refuerza el papel de Europa en la investigación básica, sino que también escucha algunas de las señales más débiles de la naturaleza.
Cada destello de luz en las profundidades del Mediterráneo podría contener un mensaje sobre el nacimiento del universo, o incluso pistas de por qué existe algo en lugar de nada.
La investigación para este artículo fue financiada por el Consejo Europeo de Investigación (ERC). Las opiniones de los entrevistados no reflejan necesariamente las opiniones de la Comisión Europea.
Este artículo fue publicado originalmente en Horizon, Revista de Investigación e Innovación de la UE.
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