Un telescopio de neutrinos bajo el Mediterráneo para 'cazar' la materia oscura

Este verano, miles de españoles chapotearán en las tranquilas aguas del Mediterráneo. Para varios equipos de físicos europeos, esas aguas tienen un valor muy diferente: en algunas de sus zonas más profundas quieren instalar un enorme telescopio de neutrinos, una forma de estudiar esta esquiva partícula para averiguar de dónde vienen, cuáles son sus propiedades exactas y, de paso, si son una prueba, al menos indirecta, de la existencia de materia oscura en el universo.

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De todas las partículas que forman la materia que nos rodea y nos compone, los neutrinos son probablemente las más difíciles de estudiar. Tienen tan poca masa que se mueven prácticamente a la velocidad de la luz e interaccionan muy poco, casi nada, con el resto de la materia. Y sin interacciones, ¿qué pueden ver y analizar los científicos? Por este motivo y durante mucho tiempo, su presencia pasó desapercibida para los físicos de partículas.

Roca o agua para filtrar radiación

Décadas después sabemos que los neutrinos están ahí, que se producen en las estrellas (entre ellas en nuestro Sol), en los aceleradores de partículas y en los reactores nucleares. Hasta hemos 'visto' los que se produjeron en una supernova cercana hace varios años.

El problema es que estudiar los neutrinos de alta energía procedentes de más allá de nuestra galaxia, de agujeros negros o explosiones de rayos gamma, no es tan sencillo. Experimentos de todo el mundo tratan de captarlos desde debajo de la tierra, en el fondo de cuevas y minas, para que la roca actúe de escudo ante otras radiaciones que interferirían con los sensibles equipos. Allí han instalado enormes detectores (entre ellos el NEXT, en Canfranc): depósitos de agua u otros fluidos cuyas paredes interiores han sido cubiertas de fotorreceptores que se encienden cuando detectan la levísima interacción de un neutrino con otra molécula.

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Para distinguir los neutrinos de alta energía que vienen del cosmos de los, digamos, vulgares neutrinos que provienen de la atmósfera, los físicos observan su trayectoria en esos detectores y buscan aquellos que se desplazan de abajo hacia arriba, tras haber atravesado la Tierra provenientes del espacio.

Con este objetivo, otros han optado por sumergirse en el fondo del océano, entre ellos el KM3NeT, un proyecto internacional europeo con participación española que pretende convertir el fondo del Mediterráneo en un gran detector para 'pescar' neutrinos utilizando algo similar a unas redes plagadas de cientos de fotorreceptores.

El origen y las propiedades de los neutrinos

"Está formado por unas hileras de fotomultiplicadores ancladas al suelo, a varios kilómetros de profundidad y distribuidas de forma homogénea que son extremadamente sensibles, de forma que captan la interacción de los neutrinos y generan una señal que se envía a la sala de control en la costa", explica Juan José Hernández Rey, investigador del Instituto de Física Corpuscular (CSIC-UV) y líder del proyecto en España.

Todavía en fase de instalación y pruebas, el KM3Net estará compuesto en realidad por dos instalaciones distintas, y una tercera, en Grecia, pendiente de aprobar en función de los fondos disponibles.

La primera, en las aguas al sur de Toulon, en Francia, llamada ORCA (las siglas de Oscillation Researcha with Cosmics in the Abyss) presentará una estructura más densa y con menor extensión, pensando en captar las propiedades fundamentales de los neutrinos, especialmente su jerarquía de masa. "Se sabe que los neutrinos tienen distintas masas, pero no sabemos cómo colocarlos del más ligero al menos ligero. Esto es importante saberlo y puede influir en posteriores experimentos", explica Hernández.

La segunda se situará en Sicilia, Italia, y se llamará ARCA siglas de Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss). Esta tendrá menos densidad de fotorreceptores y abarcará una mayor extensión con el objetivo de trazar la trayectoria de los flujos de neutrinos. Para ello, explica Hernández, el equipo español ha participado en la precisa calibración que deben tener los sensores, ajustada a pocas décimas de segundo. Desde su posición, abarcará un 87% del cielo y la bajadifusión de la luz en el agua permitirá medir la dirección de los neutrinos con gran precisión, algo esencial para determinar su origen.

Los neutrinos apuntan a la materia oscura

Además de conocer el origen y las propiedades de los neutrinos de alta energía, el proyecto tiene otro objetivo científico en el que el equipo de Hernández está directamente involucrado: la detección de nuevas evidencias que señalen, si bien de forma indirecta, la existencia de la materia oscura. La hipótesis que cuenta con más consenso para explicar por qué la materia oscura parece ser tan abundante pero no la vemos es que está formada por partículas desconocidas que interaccionan muy levemente con la materia que sí conocemos, explica el físico.

Captar estos neutrinos no significaría confirmar la existencia de la materia oscura, pero sería una prueba de que está ahí y es tal y como creemos

Esas partículas se acumularían en objetos astrofísicos como el Sol, y al aniquilarse entre sí con las partículas de la materia conocida producirían neutrinos de alta energía. Esto quiere decir que una gran cantidad de neutrinos de alta energía provenientes del Sol serían una evidencia muy clara de la presencia de materia oscura tal y como los científicos creen que es. "Captar estos neutrinos sería un indicio muy fuerte de que la naturaleza de la materia oscura es la que sospechamos que es y, junto con otras formas de búsqueda, permitiría estudiarla.".