El neutrino es una partícula subatómica sin carga eléctrica y con una masa tan pequeña que es extremadamente difícil de detectar. Sin embargo, una colaboración internacional ha logrado captar el de mayor energía observado hasta ahora y cuyo origen exacto está aún por determinar.
El descubrimiento, cuyos resultados se han publicado en la revista Nature, se ha logrado gracias a la colaboración KM3NeT, un potente telescopio sumergido en las profundidades del Mediterráneo, en el que participan más de 360 científicos, ingenieros, técnicos y estudiantes de 68 instituciones de 21 países, entre ellos España.
Aunque se haya dado a conocer esta semana, la detección se produjo hace ahora dos años y el evento recibió el nombre de KM3-230213A. Pero, ¿qué es exactamente esta partícula y qué implicaciones tiene el hallazgo de una tan energética?
¿Qué es un neutrino?
Un neutrino es una partícula subatómica elemental, sin carga eléctrica y con una masa extremadamente pequeña, cercana a cero. Es parte del grupo de los fermiones y se caracteriza por interactuar de manera muy débil con la materia, lo que le permite atravesarla sin ser detectado.
Son las segundas partículas más abundantes del universo, por detrás de la luz, y se generan en multitud de procesos. Aunque millones de ellas atraviesan nuestro cuerpo cada segundo, su interacción con la materia es tan escasa que son prácticamente indetectables sin instrumentos especializados. Por eso reciben la denominación de "partículas fantasma".
¿Qué eventos son capaces de producirlos?
Hay muchos, como las reacciones nucleares del Sol, las explosiones de supernovas o ciertos fenómenos radiactivos en la Tierra. "Nosotros mismos, las personas, podemos emitir neutrinos, por el potasio en nuestros músculos y huesos; igual que los emite un plátano, que también tiene potasio", explica a RTVE.es Francisco Salesa Greus, científico titular del CSIC, en el Instituto de Física Corpuscular (IFIC) de Valencia, que ha participado en el descubrimiento realizado por el telescopio KM3NeT. "Así que realmente estamos rodeados de neutrinos", recalca.
Sin embargo, para que puedan ser tan energéticos como el detectado en aguas del Mediterráneo, tienen que haber sido producidos por fenómenos extremadamente violentos. Sobre este neutrino en particular, los físicos desconocen cuál es su origen, aunque existen varias fuentes posibles, como los agujeros negros supermasivos, a cuyo alrededor se aceleran partículas, en este caso protones, que al chocar con la materia producen neutrinos que salen disparados en dirección contraria. Este tipo de neutrinos ya han sido detectados por otro telescopio llamado IceCube, situado en la estación Amundsen-Scott del Polo Sur.
Al interactuar de una manera tan débil con la materia, pueden recorrer grandes distancias en el universo, algo que supone una gran ventaja desde el punto de vista científico. "Otras partículas, como los protones, que tienen carga eléctrica, se pierden por el camino, y no sabes exactamente de dónde vienen. Pero los neutrinos, como interaccionan tan poco, tienen la característica de que vienen en línea recta y muy directos hacia nosotros, si nos encontramos en su trayectoria", asegura Salesa Greus en este sentido.
Científicos manipulan un detector esférico con esferas de cristal y cables, marcado "DU81", en la cubierta de un barco. Posible despliegue o recuperación en el mar.
¿Hay alguna hipótesis que destaque sobre las demás?
"En este caso, no tenemos ninguna certeza de qué es lo que lo ha producido. Hemos mirado alrededor a ver si había alguna fuente, pero no hay nada cercano que nos permita asegurar que ese neutrino viene de ahí", mantiene este físico.
"Una hipótesis que existe es que se trata de un neutrino cosmogénico, que están predichos teóricamente, y básicamente es un rayo cósmico de energía ultra-alta, como los que detecta el Pierre Auger Observatory. En su camino hacia la Tierra, pueden interactuar con el fondo de microondas, que es como un remanente del Big Bang, y dar como resultado un neutrino que también es de muy alta energía. Estos neutrinos cosmogénicos tendrían del orden de la energía que hemos visto en este neutrino, por lo que encajaría muy bien. Pero con un solo evento, que es el que hemos detectado, no podemos extraer ninguna certeza estadística", comenta Salesa Greus.
¿Cómo se pueden detectar los neutrinos?
El científico del IFIC explica que para poder encontrar neutrinos "necesitamos detectores muy grandes, y para conseguir esos volúmenes tan grandes utilizamos el agua del mar", donde se instala una red de fotomultiplicadores, que son instrumentos que se caracterizan por transformar la luz en corriente eléctrica.
Los detectores tienen que ser muy grandes "para que aumente la probabilidad de que algún neutrino interaccione, algo que sucede por casualidad". "Utilizamos el agua como propio detector, porque esa agua sirve como material para que el neutrino choque en ella, y además tiene otra gran ventaja: que es transparente a la luz que se emite", agrega, y cuenta cómo "cuando ese neutrino se convierte en un muon y le da la luz, esa luz es típicamente azul, lo que se conoce como luz Cherenkov, que los científicos podemos detectar con fotomultiplicadores".
De esta manera, lo detectado fue en realidad un muon (una partícula elemental similar al electrón, pero con más masa), que era el resultado de la interacción del neutrino en las inmediaciones del detector. El muon se puede ver porque induce en el agua esa luz azulada, cuya señal eléctrica fue captada por los sensores del telescopio.
La inclinación de la trayectoria del muon, sumada a su enorme energía, hace que los científicos no tengan prácticamente dudas de que se originó a partir de un neutrino de origen cósmico.
¿De qué intensidad estamos hablando en este caso?
La energía estimada de la partícula detectada es de unos 220 PeV (220.000 billones de electronvoltios), lo que supone que es 20 veces más energético que cualquiera de los neutrinos detectados hasta ahora.
Aunque hay que tener muy clara la escala a la que pertenece. "Para este neutrino en particular, hay que tener cuidado, porque estamos hablando de muy alta energía, pero a nivel microscópico. Si lo traducimos a lo macroscópico, sería comparable a la energía de una pelota de ping pong cayendo desde una altura de un metro. Estos neutrinos no nos van a solucionar problemas energéticos en nuestra vida cotidiana, si pudiésemos utilizarlos", puntualiza Francisco Salesa Greus.
Unidades de detección del Km3NeT. EFE / M. KRAAN / NIKHEF
¿Qué importancia tiene el reciente descubrimiento?
La relevancia de este descubrimiento se relaciona sobre todo con su alta energía, porque ya se habían captado neutrinos en los detectores que funcionan repartidos en diferentes partes del mundo. "Tiene 20 veces más energía que el más energético que habíamos detectado hasta la fecha. Ese rango de energías, teóricamente se predecía que tenían que existir, pero nunca se habían medido, y esta es la primera evidencia experimental de que existen. Simplemente por eso ya es un descubrimiento muy importante", explica el científico titular del CSIC.
Además, según cuenta, se trata de partículas que son "imposibles de producir en la Tierra", en aceleradores como el CERN. "Solo se producen en el universo en escenarios muy energéticos. La estimación es que son 10.000 veces más energéticas que las que se consiguen en aceleradores de partículas", asegura.
"Ahora sabemos que podemos utilizar estos neutrinos para estudiar el universo a las energías más altas, por lo que nos abre una nueva ventana en este sentido", agrega Salesa Greus. A diferencia de la luz o los rayos cósmicos, los neutrinos pueden viajar grandes distancias por el universo sin ser desviados ni absorbidos por otros objetos o campos magnéticos. Esto significa que, al detectarlos, es posible rastrear directamente su origen y obtener información valiosa sobre fenómenos cósmicos extremos, lo que permite investigar el universo desde una perspectiva diferente.
¿Qué es KM3NeT?
KM3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope, en inglés) es una infraestructura de investigación europea situada en el mar Mediterráneo. Consta de telescopios submarinos de tipo Cherenkov, diseñados para detectar y estudiar neutrinos procedentes de fuentes astrofísicas muy lejanas, así como neutrinos originados en nuestra propia atmósfera.
Como su propio nombre indica, cuando esté finalizado a finales de esta década, ocupará un volumen de 1 kilómetro cúbico. En este momento, se encuentra en fase de desarrollo, por lo que la detección se ha realizado utilizando solo un porcentaje muy pequeño de lo que será su capacidad, lo que da aún más esperanza a los investigadores.
Su principal misión es ayudar a comprender mejor el universo, y también contribuye a la investigación en física de partículas, como el estudio de la naturaleza del neutrino. KM3NeT está compuesto por redes de sensores ópticos distribuidos a gran profundidad, capaces de detectar la luz generada cuando los neutrinos interactúan con el agua.