Año 23 Número 88 – Marzo 2025
Por Daniela Pérez
En Abdera, hace más de 2000 años Leucipo y Demócrito postularon por primera vez el concepto de cosa básica, esto es, que existen elementos constitutivos básicos en la naturaleza. Esta idea ha sobrevivido hasta la actualidad y está reflejada esencialmente en el modelo estándar de las partículas elementales [5].
De acuerdo a este modelo existen 12 tipos diferentes de partículas que forman todas las cosas que hay en el universo. A su vez, estas partículas se dividen en dos grupos, los quarks y leptones. Los quarks se combinan para formar otras partículas compuestas llamadas hadrones, siendo los protones y neutrones las más estables. Dentro de los leptones, encontramos al electrón, el muón, y al tau. Además, existen tres tipos de neutrinos asociados a cada una de las familias leptónicas: neutrino electrónico, neutrino muónico y neutrino tau [5].
Los neutrinos no tienen carga eléctrica, su masa es extremadamente pequeña y se mueven prácticamente a la velocidad de la luz. Estas partículas elementales interactúan de manera débil y muy raramente con la materia; se originan en varios decaimientos radiactivos. Pueden producirse en la Tierra de forma artificial en reactores y bombas nucleares como también en aceleradores de partículas. En el universo, los núcleos de las estrellas, las supernovas y eventos extremadamente energéticos que involucran la presencia de agujeros negros, son algunas posibles fuentes de neutrinos.
La detección de neutrinos con energías por encima del teraelectronvoltio (1 TeV = 1012 eV) permite investigar de manera única distintos fenómenos astrofísicos. Dado que son eléctricamente neutros, los neutrinos no son deflectados por campos magnéticos y es muy improbable que sean absorbidos por el medio interestelar. Los neutrinos de muy alta energía pueden ser producidos por rayos cósmicos muy energéticos, como protones o núcleos, cuando interactúan con materia o fotones. Luego su observación es evidencia muy fuerte de la presencia de una población de partículas muy energética y también de los procesos astrofísicos que operan en las fuentes.
El pasado 12 de febrero la colaboración KM3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope, por sus siglas en inglés) reportó la observación de un evento excepcionalmente energético que ellos asociaron con la detección de un neutrino cósmico [3].
KM3Net es una infraestructura de investigación europea situada en el mar Mediterraneo. Consta de telescopios submarinos diseñados para detectar e investigar neutrinos procedentes tanto de fuentes astrofísicas muy lejanas como aquellos originados en la atmósfera terrestre. El proyecto KM3NeT contempla el despliegue de varios detectores ubicados en diferentes emplazamientos a lo largo de las costas del mar Mediterraneo: KM3NeT-Fr (frente a la costa de Tolón, Francia), alberga el detector ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss, en inglés) y KM3NeT-It (frente a la costa de Portopalo de Capo Pasero, Sicilia, Italia), alberga el detector ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss, en inglés). KM3NeT-Gr (frente a la costa de Pilos, Peloponeso, Grecia) está disponible para ampliar la infraestructura en futuras extensiones. Los detectores KM3NeT/ORCA y KM3NeT/ARCA están en fase de construcción: hasta el momento sólo un 10 por ciento de la infraestructura está terminada [2].
¿Qué son y cómo funcionan los detectores de neutrinos? Se trata de un arreglo tridimensional que alberga en su interior sensores ópticos (fotomultiplicadores). Cuando los neutrinos colisionan con las moléculas de agua o rocas cercanas al detector, se generan partículas cargadas; si la velocidad de estas partículas en el medio es mayor a la velocidad de la luz se produce emisión de radiación Cherenkov. Los sensores ópticos son capaces de detectar esta radiación. Los tiempos de llegada de la luz Cherenkov registrados con gran precisión en cada fotomultiplicador, junto con su posición y dirección, permiten reconstruir las propiedades de dichas partículas, como su trayectoria y su energía.
Figura 1: Representación artística del observatorio de neutrinos KM3NeT. Créditos: KM3NeT
Figura 2: Representación artística del observatorio de neutrinos KM3NeT. La imagen ampliada corresponde a los módulos ópticos. Créditos: KM3NeT
Esto es precisamente lo que ocurrió en la noche del 13 de febrero de 2023; durante una ventana temporal de casi 2 microsegundos el detector ARCA registró más de 28.000 fotones en los casi 12.000 fotomultiplicadores del detector. El nivel de iluminación fue tan alto que más del 25% de los fotomultiplicadores que detectaron una señal se saturaron. El análisis de los datos permitió identificar una única partícula cargada, un muón, que había atravesado todo el detector. Estudios detallados permitieron estimar la energía del muón en un valor récord de 120 PeV, esto es 1014 veces superior a la de los fotones de luz visible. Esto implica que el neutrino primario que generó el muón tenía una energía aún mayor, estimada en el nivel de 220 PeV, significativamente superior a la de cualquier neutrino detectado hasta entonces.
Como se muestra en la Figura 3, la trayectoria horizontal a través del detector indica que el neutrino tiene un origen cósmico, dado que los muones atmosféricos no pueden recorrer distancias tan grandes en el mar sin ser antes absorbidos.
Luego de la detección, los científicos de KM3NeT intentaron identificar la fuente astrofísica de origen Analizaron datos de telescopios de rayos gamma, rayos X y radiotelescopios con potenciales contrapartidas tales como blazares o eventos transitorios. Hasta el momento no se ha podido identificar la fuente de origen de manera concluyente.
Figura 3: Representación visual del evento asociado al neutrino de ultra alta energía detectado por KM3NeT/ARCA. Los colores indican la luz detectada por los fotomultiplicadores. Los colores representan los distintos momentos de observación. La reconstrucción de la trayectoria de la partícula se muestra como una línea de derecha a izquierda. Créditos: KM3NeT.
Científicos del Instituto Argentino de Radioastronomía (IAR) se han dedicado a investigar los mecanismos de producción de neutrinos en distintas fuentes astrofísicas, tal como se puede consultar en las siguientes referencias [1-6]. Los modelos desarrollados y sus respectivas predicciones aguardan luego, las futuras prometedoras detecciones de KM3NeT.