El 13 de febrero de 2023, el detector ARCA del telescopio de neutrinos cúbicos de un kilómetro (KM3NeT) detectó en las profundidades marinas un evento extraordinario consistente en un neutrino con una energía estimada de unos 220 PeV (220 x 10 15 electronvoltios o 220 millones de billones de electronvoltios). Este evento, denominado KM3-230213A, es el neutrino más energético jamás observado y proporciona la primera evidencia de que en el Universo se producen neutrinos de tan altas energías. Tras un largo y meticuloso trabajo de análisis e interpretación de los datos experimentales, ahora la colaboración científica internacional de KM3NeT informa de los detalles de este sorprendente descubrimiento en un artículo publicado en Nature.
El evento detectado fue identificado como un único muón que atravesó todo el detector, induciendo señales en más de un tercio de los sensores activos. La inclinación de su trayectoria combinada con su enorme energía proporciona evidencia convincente de que el muón se originó a partir de un neutrino cósmico que interactuó en las proximidades del detector.
“KM3NeT ha comenzado a investigar un rango de energía y sensibilidad en el que los neutrinos detectados pueden tener su origen 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 e investigador del Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) – Centro de Física de Partículas de Marsella, Francia.
El universo de alta energía es el reino de los eventos cataclísmicos, como la acumulación de agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias, las explosiones de supernovas y los estallidos de rayos gamma, todos ellos aún no totalmente comprendidos. Estos poderosos aceleradores cósmicos generan corrientes de partículas llamadas rayos cósmicos. Algunos rayos cósmicos pueden interactuar con la materia o los fotones alrededor de la fuente, para producir neutrinos y fotones. Durante el viaje de los rayos cósmicos más energéticos a través del Universo, algunos también pueden interactuar con fotones de la radiación de fondo de microondas cósmica, para producir neutrinos “cosmogénicos” extremadamente energéticos.
“Los neutrinos son una de las partículas elementales más misteriosas. No tienen carga eléctrica, casi ninguna masa e interactúan débilmente con la materia. Son mensajeros cósmicos especiales que nos aportan información única sobre los mecanismos implicados en los fenómenos más energéticos y nos permiten explorar los confines más lejanos del Universo ”, explica Rosa Coniglione, portavoz adjunta de KM3NeT e investigadora del Instituto Nacional de Física Nuclear INFN, Italia.
Aunque los neutrinos son la segunda partícula más abundante en el Universo después de los fotones, su débil interacción con la materia hace que sea muy difícil detectarlos y requiere detectores enormes. El telescopio de neutrinos KM3NeT, actualmente en construcción, es una gigantesca infraestructura de aguas profundas distribuida en dos detectores ARCA y ORCA. En su configuración final, KM3NeT ocupará un volumen de más de un kilómetro cúbico. KM3NeT utiliza agua de mar como medio de interacción de los neutrinos. Sus módulos ópticos de alta tecnología detectan la luz Cherenkov, un resplandor azulado que se genera durante la propagación a través del agua de las partículas ultrarrelativistas producidas en las interacciones de los neutrinos.
“Para determinar la dirección y la energía de este neutrino se necesitó una calibración precisa del telescopio y sofisticados algoritmos de reconstrucción de trayectorias. Además, esta notable detección se logró con sólo una décima parte de la configuración final del detector, lo que demuestra el gran potencial de nuestro experimento para el estudio de los neutrinos y para la astronomía de neutrinos ”, comenta Aart Heijboer, director de Física y Software de KM3NeT e investigador del Instituto Nacional Nikhef de Física Subatómica, Países Bajos.
Características del detector KM3NeT
El detector KM3NeT/ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) se dedica principalmente al estudio de los neutrinos de más alta energía y sus fuentes en el Universo. Está situado a 3.450 m de profundidad, a unos 80 km de la costa de Portopalo di Capo Passero, en Sicilia. Sus unidades de detección (DU) de 700 m de altura están ancladas al fondo marino y colocadas a unos 100 m de distancia. Cada DU está equipada con 18 módulos ópticos digitales (DOM) que contienen cada uno 31 fotomultiplicadores (PMT). En su configuración final, ARCA estará compuesto por 230 DU. Los datos recopilados se transmiten a través de un cable submarino a la estación costera del INFN Laboratori Nazionali del Sud.
El detector KM3NeT/ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) está optimizado para estudiar las propiedades fundamentales del propio neutrino. Está situado a una profundidad de 2.450 m, a unos 40 km de la costa de Toulon, Francia. Estará compuesto por 115 DU, cada una de 200 m de altura y espaciadas a 20 m. Los datos recopilados por ORCA se envían a la estación costera de La Seyne Sur Mer.
“La escala de KM3NeT, que llegó a abarcar un volumen de aproximadamente un kilómetro cúbico con un total de aproximadamente 200.000 fotomultiplicadores, junto con su ubicación extrema en el abismo del mar Mediterráneo, demuestra los extraordinarios esfuerzos necesarios para avanzar en la astronomía de neutrinos y la física de partículas. La detección de este evento es el resultado de un tremendo esfuerzo de colaboración entre muchos equipos internacionales de ingenieros, técnicos y científicos” , comenta Miles Lindsey Clark, director técnico del proyecto KM3NeT e ingeniero de investigación en el laboratorio de astropartículas y cosmología del CNRS, Francia.
Este neutrino de energía ultraalta puede tener su origen directamente en un potente acelerador cósmico. Otra posibilidad es que se trate de la primera detección de un neutrino cosmogénico. Sin embargo, a partir de este único neutrino es difícil llegar a conclusiones sobre su origen. Las futuras observaciones se centrarán en detectar más eventos de este tipo para obtener una imagen más clara. La continua expansión de KM3NeT con unidades de detección adicionales y la adquisición de datos adicionales mejorarán su sensibilidad y su capacidad para localizar fuentes de neutrinos cósmicos, lo que lo convertirá en un importante contribuyente a la astronomía de mensajeros múltiples.
La colaboración para el impulso del KM3NeT reúne a más de 360 científicos, ingenieros, técnicos y estudiantes de 68 instituciones de 21 países de todo el mundo. Además, está incluido en la hoja de ruta del Foro Estratégico Europeo sobre Infraestructuras de Investigación, que reconoce a KM3NeT como infraestructura de investigación prioritaria para Europa. KM3NeT recibe financiación de la Unión Europea, así como de agencias nacionales de investigación en varios países, y se ha beneficiado de diversas financiaciones a través de los programas europeos de investigación e innovación, así como del Fondo Europeo de Desarrollo Regional.