Descubren una 'partícula fantasma' que puede reescribir lo que sabemos del Universo

¿Cuánta energía puede tener un fantasma? Los neutrinos son unas partículas muy especiales: no tienen carga eléctrica, su masa es diminuta y apenas interaccionan con la materia ordinaria. Por eso, son casi indetectables a pesar de que miles de millones de ellas atraviesan nuestro cuerpo continuamente a una velocidad cerca a la de la luz. Estudiarlos es fundamental para comprender los secretos del universo, pero los físicos que se dedican a hacerlo se han llevado una sorpresa mayúscula al descubrir la señal del neutrino más energético jamás observado, unas 30 veces más que los detectados hasta ahora. Es la primera evidencia de que en el cosmos se producen neutrinos de energía ultraalta.

La revista Nature acaba de publicar el hallazgo, que se produjo el 13 de febrero de 2023 gracias al telescopio submarino europeo KM3NeT, que se ubica a gran profundidad en el Mediterráneo y, en concreto, a través del detector ARCA, que se encuentra cerca de Sicilia (Italia). Los científicos han necesitado dos años para realizar un minucioso trabajo de análisis e interpretación hasta confirmar la detección de un neutrino cósmico de unos 220 PeV (peta-electronvoltios) que interactuó en las proximidades de esta infraestructura científica. Los expertos no han podido concretar el origen preciso de esta partícula, pero la investigación sugiere que procedía de más allá de la Vía Láctea.

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Mensajeros del universo

Los neutrinos pueden surgir por fusión nuclear en el interior de las estrellas o en las supernovas, las explosiones en las que estas mueren, pero también podemos producirlos de forma artificial en los aceleradores de partículas. Después de los fotones, son las partículas más abundantes del universo, pero son tan esquivas que, cuando el físico Wolfgang Pauli predijo su existencia en 1930, pensó que nunca podrían ser detectados. Aunque finalmente se logró en 1956, estas misteriosas partículas subatómicas siguen siendo un reto para la ciencia. Ahora, “esta primera detección de un neutrino de energía ultraalta “abre un nuevo capítulo en la astronomía de neutrinos y una nueva ventana de observación en el universo”, destaca Paschal Coyle, portavoz de KM3NeT en el momento de la detección e investigador del Centre de Physique des Particules de Marseille (Francia).

El hallazgo reescribe la historia de esta partícula que se consideraba casi un fantasma. Todos los neutrinos conocidos hasta ahora han sido bastante esquivos, pero, precisamente, “detectar uno de tanta energía como este es muy fácil, el problema es que hay poquísimos”, explica en declaraciones a El Confidencial Juande Zornoza, investigador del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, centro del CSIC y de la Universidad de Valencia) y uno de los coautores del trabajo. El descubrimiento es importante porque los neutrinos son una de las pocas partículas fundamentales que hay, pero también porque “son unos mensajeros muy interesantes para estudiar el universo”.

De hecho, “ocurren cosas muy espectaculares” en el universo de altas energías, como “galaxias con agujeros negros de millones de masas solares donde cae materia y se aceleran partículas”. Una de las formas de estudiar estos fenómenos es a través de los neutrinos, porque “como no interaccionan mucho, pueden llegarnos tal cual se han emitido”, comenta el físico español. Precisamente, una de las principales hipótesis que barajan los investigadores es que la partícula que han detectado proceda de un agujero negro supermasivo situado en el centro de una galaxia. Otra posibilidad es que venga del choque de rayos cósmicos (corrientes de partículas generadas en grandes eventos, como una supernova) con el fondo de radiación de microondas, una especie de baño de fotones que está por todo el universo, desde el Big Bang.

El espectacular telescopio submarino KM3NeT

La débil interacción de los neutrinos con la materia hace que sea muy difícil identificarlos, así que se necesitan infraestructuras enormes. El telescopio de neutrinos KM3NeT — en el que trabajan 360 científicos de 21 países —, que todavía está en construcción, está diseñado para las profundidades marinas y cuenta con dos detectores. El primero se denomina ARCA, es el protagonista de este descubrimiento y está ubicado a 80 kilómetros de la costa siciliana, a 3.450 metros de profundidad. El segundo, ORCA, está a 40 kilómetros de la ciudad de Tolón, en la costa francesa, a 2.450 metros de profundidad. 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 producidas en las interacciones de los neutrinos.

Lo curioso es que el descubrimiento del neutrino de alta energía se produjo cuando solo se había construido el 10% del detector. Cuando esté completamente configurado, ARCA tendrá 230 unidades de detección ancladas en el fondo marino que llegan a los 700 metros de altura y están separadas entre sí por 100 metros de distancia. Cada unidad está equipada con 18 esferas de cristal denominadas módulos ópticos digitales. Los datos recopilados se transmiten por un cable submarino.

En la Antártida, existe otro gran telescopio de neutrinos, denominado IceCube, ubicado en la estación Amundsen-Scott del polo Sur, que se terminó de construir en 2010. Sin embargo, allí nunca se ha detectado nada similar. Por eso, Carlos Pobes, científico del Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA) que permaneció allí un año entero, asegura, en declaraciones a Science Media Centre (SMC), que este hallazgo “resulta excitante, pero es tan excepcional que nos obliga a ser cautos”. Según explica, “IceCube tiene actualmente un volumen 10 veces mayor y lleva 10 veces más tiempo tomando datos”, así que la probabilidad de que KM3Net detectara el primer neutrino de origen cosmogénico era muy baja.

"Estamos muy seguros"

Los autores del artículo de Nature lo atribuyen, simplemente, a la casualidad, pero ¿cabe la posibilidad de que todo sea un error? No sería la primera vez que sucede algo así con estas partículas. En 2011, el laboratorio Gran Sasso midió neutrinos enviados por el CERN de Ginebra (Suiza) y dedujo que se desplazaban a una velocidad superior a la de la luz. La conmoción fue extraordinaria, porque las teorías de Albert Einstein dicen que nada puede ser más rápido que la luz, así que aquel hallazgo ponía patas arriba toda la física. Sin embargo, todo se debió a un fallo en la medición.

En esta ocasión, los científicos han sido mucho más prudentes. “Se ha revisado todo a fondo, con mucho detalle, precisamente porque es muy sorprendente, y los revisores de Nature nos han enviado muchas preguntas antes de lanzarse a publicarlo en portada”, señala Juande Zornoza. Además, desde el punto de vista técnico fue “un suceso muy limpio”, así que “estamos muy seguros”. No obstante, el descubrimiento es excepcional y las probabilidades de que se produjeran eran escasas, así que “volver a ver un neutrino de energía tan extrema va a ser una cosa muy rara”, reconoce.

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De hecho, según calculan los expertos, lo esperable sería “observar un solo evento como el registrado en 70 años de funcionamiento del experimento KM3NeT”, comenta a SMC Mariam Tórtola, investigadora del departamento de Física Teórica de la Universidad de Valencia y del IFIC. “Aun así, se estima que la señal observada se trataría de una fluctuación estadística compatible con los resultados anteriores. Esta observación supone, por tanto, la primera evidencia de la existencia de neutrinos con energías extremadamente altas en la naturaleza”, añade.

Según esta experta, no se han registrado eventos que respalden la hipótesis de que el neutrino proceda de rayos cósmicos, pero sí se han identificado hasta 12 blázares (un tipo de núcleo galáctico activo) que podrían ser el origen de la emisión. No obstante, la instalación completa del detector ARCA aumentará significativamente su sensibilidad para hallar sucesos de muy altas energías, “mejorando así su capacidad para identificar las fuentes de estos neutrinos cósmicos”.

“La solución al enigma pasa por acumular más datos”, coincide Pobes, “en particular una vez KM3NeT alcance su tamaño final”. Teniendo en cuenta que en la Antártida IceCube también está ampliando su volumen, los investigadores esperan nuevos resultados interesantes en los próximos años. “Desde luego, son tiempos excitantes para la astrofísica y la cosmología; estamos viviendo en directo el nacimiento de una nueva forma de mirar al universo”, afirma el científico del INMA.