Un telescopio bajo el Mediterr¨¢neo detecta el neutrino m¨¢s energ¨¦tico jam¨¢s observado

Despu¨¦s de construir la primera bomba nuclear de la historia, un grupo de cient¨ªficos de Estados Unidos comenz¨® el proyecto Poltergeist. El t¨¦rmino de origen alem¨¢n hac¨ªa referencia a fen¨®menos fantasmales, y ese era exactamente su objetivo: descubrir una part¨ªcula elemental desconocida, que era esencial para que el universo sea como es, y que todo el mundo cre¨ªa imposible de atrapar. Gracias a los secretos reactores de fisi¨®n nuclear del proyecto Manhattan, el equipo tuvo ¨¦xito. En 1956 escribieron una carta a Wolfgang Pauli, f¨ªsico austriaco de origen jud¨ªo huido de los nazis, que hab¨ªa teorizado la existencia de esta part¨ªcula quince a?os antes. ¡°Nos complace informarle de que definitivamente hemos detectado neutrinos¡±, dec¨ªa el escueto telegrama.

Fue el comienzo de una espectacular saga cient¨ªfica para intentar comprender esta part¨ªcula ¡ªla segunda m¨¢s abundante del universo despu¨¦s del fot¨®n, que compone la luz¡ª. La ciencia del neutrino se abri¨® camino gracias a mastod¨®nticos detectores construidos bajo tierra en antiguas minas, o bajo el hielo del Polo Sur. Este mi¨¦rcoles, una de estas instalaciones, en este caso sumergida en el fondo del Mediterr¨¢neo a 3.500 metros de profundidad, ha detectado el neutrino m¨¢s energ¨¦tico que se haya descubierto nunca. Tiene unas 10.000 veces m¨¢s energ¨ªa que la que alcanza el mayor acelerador de part¨ªculas del mundo, el LHC, y unas 30 veces m¨¢s que cualquier otro neutrino observado antes. El hallazgo ha sido toda una sorpresa para los cient¨ªficos, incluidos los que lo han descubierto.

¡°Es la part¨ªcula elemental con mayor energ¨ªa que se haya observado jam¨¢s¡±, resume euf¨®rico Juande Zornoza, f¨ªsico alicantino de 48 a?os que lidera la participaci¨®n espa?ola en el observatorio submarino KM3NeT, con el que ha hecho el hallazgo. En la jerga f¨ªsica, este neutrino ha alcanzado los 220 petaelectronvoltios, algo ¡°extraordinario¡±. ¡°El salto de energ¨ªa es tan grande que tiene pinta de que este neutrino lo ha producido un nuevo tipo de fuente o un nuevo mecanismo¡±, resalta el investigador del Instituto de F¨ªsica Corpuscular, un centro mixto del CSIC y la Universidad de Valencia. El descubrimiento se publica este mi¨¦rcoles en la revista Nature, referente de la mejor ciencia mundial.

El 13 de febrero de 2023, el detector ARCA, uno de los dos observatorios del KM3NET situado cerca de la costa de Sicilia, en Italia, capt¨® una part¨ªcula de alt¨ªsima energ¨ªa. Sus detectores son como enormes collares de perlas desabrochados que cuelgan sobre el fondo marino. Cada esfera es un ojo dise?ado para captar un destello azul que se produce en el agua cada vez que una part¨ªcula supera la velocidad de la luz en este medio, la llamada radiaci¨®n Cherenkov. La part¨ªcula detectada era un mu¨®n resultante de la desintegraci¨®n de un neutrino en las proximidades del observatorio.

El hallazgo supone todo un triunfo para este telescopio europeo, que aspira a ser el m¨¢s potente del mundo cuando est¨¦ terminado dentro de unos cinco a?os. La instalaci¨®n, con un coste total de unos 350 millones de euros, ser¨¢ el sucesor del actual templo de la ciencia del neutrino: el observatorio IceCube, construido por Estados Unidos y cuyos detectores est¨¢n engastados en el hielo de la Ant¨¢rtida.

El origen de este neutrino es un enigma. Los responsables del experimento creen que viene de alg¨²n lugar fuera de nuestra galaxia, la V¨ªa L¨¢ctea. Los detectores de neutrinos se encastillan bajo tierra, agua o hielo para protegerse del ruido causado por millones de otras part¨ªculas que chocan constantemente contra la atm¨®sfera y llegan a la Tierra.

En 1934, el f¨ªsico italiano Enrico Fermi bautiz¨® a esta part¨ªcula (neutrino) para diferenciarla en su idioma del neutr¨®n (neutrone), y expresar que no tiene carga, ni apenas masa. Estas caracter¨ªsticas le permiten viajar por el universo durante miles de millones de a?os sin que pr¨¢cticamente nada le desv¨ªe o afecte. Por eso los neutrinos son excepcionales mensajeros c¨®smicos que traen informaci¨®n de los fen¨®menos m¨¢s violentos del universo, como los rayos c¨®smicos, y pueden ayudar a entender por qu¨¦ el universo actual est¨¢ lleno de materia y no de antimateria, gracias a un desequilibrio que se produjo en los instantes posteriores a la gran inflaci¨®n del universo, hace unos 13.800 millones de a?os.

Zornoza explica que un posible origen de este neutrino ser¨ªa un bl¨¢zar. Es ¡°un tipo de galaxia que tiene en su centro un agujero negro de millones de masas solares, donde hay materia acretando [cayendo] hacia el agujero, y se producen chorros de part¨ªculas aceleradas; una fuente s¨²percatastr¨®fica¡±, detalla. Otra posibilidad es que se trate de los restos de un rayo c¨®smico que ha interactuado con los restos de luz que quedan del Big Bang que origin¨® el universo. Una tercera opci¨®n, mucho m¨¢s remota: que este neutrino venga de la desintegraci¨®n de materia oscura, el componente desconocido que constituye el 25% de todo el universo. Desde hoy mismo, los f¨ªsicos te¨®ricos de todo el mundo comenzar¨¢n a hacer c¨¢lculos para intentar explicar el origen y naturaleza de esta part¨ªcula.

Este hallazgo plantea otro enigma: por qu¨¦ un detector como KM3NeT, que a¨²n est¨¢ en construcci¨®n y que no alcanzar¨¢ plena potencia hasta finales de esta d¨¦cada, ha captado una part¨ªcula tan energ¨¦tica, mientras IceCube, mucho m¨¢s potente y con 10 a?os de rodaje, no ha visto nada. Puede deberse al lugar en el que est¨¢ situado el experimento del Mediterr¨¢neo, razona Zornoza, aunque tambi¨¦n lo atribuye a ¡°pura suerte¡±.

El descubrimiento presentado hoy es ¡°de m¨¢ximo inter¨¦s¡±, opina Carlos P¨¦rez de los Heros, que no ha participado en el estudio. Este f¨ªsico coru?¨¦s de 61 a?os es el colaborador espa?ol m¨¢s veterano del experimento IceCube, al que est¨¢ asociado desde 1997. Hasta ahora, este observatorio ant¨¢rtico no hab¨ªa detectado neutrinos de m¨¢s de 10 petaelectronvoltios. ¡°Mucha gente, tanto f¨ªsicos te¨®ricos como otros del experimento IceCube nos est¨¢bamos empezando a plantear que el espectro de energ¨ªa de los neutrinos astrof¨ªsicos podr¨ªa tener un tope, de modo que no hubiera neutrinos pasada una energ¨ªa dada, cercana a la m¨¢xima detectada por IceCube¡±, explica en un correo. ¡°Si este suceso de KM3NET es real, cambiar¨ªa ese paradigma, o al menos el tope en el flujo de neutrinos ser¨ªa a mucha m¨¢s alta energ¨ªa¡±, resalta. En cualquier caso, P¨¦rez de los Heros llama a la calma. Este ¡°puede ser un avance muy interesante en astrof¨ªsica de neutrinos, pero hay que esperar a que haya m¨¢s sucesos¡±, advierte.

Los responsables de KM3NeT siguen desplegando desde barcos las hileras de los dos detectores del observatorio, ORCA, cercano a Marsella (Francia), y ARCA, a unos 100 kil¨®metros de Sicilia, en Italia. El proyecto involucra a unos 350 cient¨ªficos de 16 pa¨ªses. Espa?a es el cuarto en representaci¨®n, con unos 30 participantes. En su configuraci¨®n final, este telescopio submarino tendr¨¢ un kil¨®metro c¨²bico y m¨¢s de 200 l¨ªneas operativas, cada una de unos 400 metros de largo. El objetivo final es que el pr¨®ximo gran hallazgo de neutrinos ya no salga de un reactor nuclear secreto, sino del fondo del Mediterr¨¢neo.