Un telescopio bajo el Mediterráneo detecta el neutrino más energético jamás observado

Después de construir la primera bomba nuclear de la historia, un grupo de científicos de Estados Unidos comenzó el proyecto Poltergeist. El término de origen alemán hacía referencia a fenómenos fantasmales, y ese era exactamente su objetivo: descubrir una partícula elemental desconocida, que era esencial para que el universo sea como es, y que todo el mundo creía imposible de atrapar. Gracias a los secretos reactores de fisión nuclear del proyecto Manhattan, el equipo tuvo éxito. En 1956 escribieron una carta a Wolfgang Pauli, físico austriaco de origen judío huido de los nazis, que había teorizado la existencia de esta partícula quince años antes. “Nos complace informarle de que definitivamente hemos detectado neutrinos”, decía el escueto telegrama.

Fue el comienzo de una espectacular saga científica para intentar comprender esta partícula —la segunda más abundante del universo después del fotón, que compone la luz—. La ciencia del neutrino se abrió camino gracias a mastodónticos detectores construidos bajo tierra en antiguas minas, o bajo el hielo del Polo Sur. Este miércoles, una de estas instalaciones, en este caso sumergida en el fondo del Mediterráneo a 3.500 metros de profundidad, ha detectado el neutrino más energético que se haya descubierto nunca. Tiene unas 10.000 veces más energía que la que alcanza el mayor acelerador de partículas del mundo, el LHC, y unas 30 veces más que cualquier otro neutrino observado antes. El hallazgo ha sido toda una sorpresa para los científicos, incluidos los que lo han descubierto.

“Es la partícula elemental con mayor energía que se haya observado jamás”, resume eufórico Juande Zornoza, físico alicantino de 48 años que lidera la participación española en el observatorio submarino KM3NeT, con el que ha hecho el hallazgo. En la jerga física, este neutrino ha alcanzado los 220 petaelectronvoltios, algo “extraordinario”. “El salto de energía 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 Física Corpuscular, un centro mixto del CSIC y la Universidad de Valencia. El descubrimiento se publica este miércoles 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, captó una partícula de altísima energía. Sus detectores son como enormes collares de perlas desabrochados que cuelgan sobre el fondo marino. Cada esfera es un ojo diseñado para captar un destello azul que se produce en el agua cada vez que una partícula supera la velocidad de la luz en este medio, la llamada radiación Cherenkov. La partícula detectada era un muón resultante de la desintegración de un neutrino en las proximidades del observatorio.

El hallazgo supone todo un triunfo para este telescopio europeo, que aspira a ser el más potente del mundo cuando esté terminado dentro de unos cinco años. La instalación, con un coste total de unos 350 millones de euros, será el sucesor del actual templo de la ciencia del neutrino: el observatorio IceCube, construido por Estados Unidos y cuyos detectores están engastados en el hielo de la Antártida.

El origen de este neutrino es un enigma. Los responsables del experimento creen que viene de algún lugar fuera de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Los detectores de neutrinos se encastillan bajo tierra, agua o hielo para protegerse del ruido causado por millones de otras partículas que chocan constantemente contra la atmósfera y llegan a la Tierra.

En 1934, el físico italiano Enrico Fermi bautizó a esta partícula (neutrino) para diferenciarla en su idioma del neutrón (neutrone), y expresar que no tiene carga, ni apenas masa. Estas características le permiten viajar por el universo durante miles de millones de años sin que prácticamente nada le desvíe o afecte. Por eso los neutrinos son excepcionales mensajeros cósmicos que traen información de los fenómenos más violentos del universo, como los rayos cósmicos, y pueden ayudar a entender por qué el universo actual está lleno de materia y no de antimateria, gracias a un desequilibrio que se produjo en los instantes posteriores a la gran inflación del universo, hace unos 13.800 millones de años.

Zornoza explica que un posible origen de este neutrino sería un blázar. 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 partículas aceleradas; una fuente súpercatastrófica”, detalla. Otra posibilidad es que se trate de los restos de un rayo cósmico que ha interactuado con los restos de luz que quedan del Big Bang que originó el universo. Una tercera opción, mucho más remota: que este neutrino venga de la desintegración de materia oscura, el componente desconocido que constituye el 25% de todo el universo. Desde hoy mismo, los físicos teóricos de todo el mundo comenzarán a hacer cálculos para intentar explicar el origen y naturaleza de esta partícula.

Este hallazgo plantea otro enigma: por qué un detector como KM3NeT, que aún está en construcción y que no alcanzará plena potencia hasta finales de esta década, ha captado una partícula tan energética, mientras IceCube, mucho más potente y con 10 años de rodaje, no ha visto nada. Puede deberse al lugar en el que está situado el experimento del Mediterráneo, razona Zornoza, aunque también lo atribuye a “pura suerte”.

El descubrimiento presentado hoy es “de máximo interés”, opina Carlos Pérez de los Heros, que no ha participado en el estudio. Este físico coruñés de 61 años es el colaborador español más veterano del experimento IceCube, al que está asociado desde 1997. Hasta ahora, este observatorio antártico no había detectado neutrinos de más de 10 petaelectronvoltios. “Mucha gente, tanto físicos teóricos como otros del experimento IceCube nos estábamos empezando a plantear que el espectro de energía de los neutrinos astrofísicos podría tener un tope, de modo que no hubiera neutrinos pasada una energía dada, cercana a la máxima detectada por IceCube”, explica en un correo. “Si este suceso de KM3NET es real, cambiaría ese paradigma, o al menos el tope en el flujo de neutrinos sería a mucha más alta energía”, resalta. En cualquier caso, Pérez de los Heros llama a la calma. Este “puede ser un avance muy interesante en astrofísica de neutrinos, pero hay que esperar a que haya más 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 kilómetros de Sicilia, en Italia. El proyecto involucra a unos 350 científicos de 16 países. España es el cuarto en representación, con unos 30 participantes. En su configuración final, este telescopio submarino tendrá un kilómetro cúbico y más de 200 líneas operativas, cada una de unos 400 metros de largo. El objetivo final es que el próximo gran hallazgo de neutrinos ya no salga de un reactor nuclear secreto, sino del fondo del Mediterráneo.