El detector KM3NeT submergit al Mediterrani atrapa el neutrí de major energia mai observat

Una col·laboració internacional amb participació de l'Institut de Física Corpuscular (IFIC, UV-CSIC) acaba de publicar en ‘Nature’ la detecció del neutrí més energètic mai detectat. La troballa, portada de la prestigiosa revista, mostra el potencial d'aquest experiment per a estudiar el cosmos a través dels neutrins, la segona partícula més abundant de l'univers després de la llum. La col·laboració espanyola en KM3NeT està coordinada pel físic de la Universitat de València Juan de Dios Zornoza Gómez.

El 13 de febrer de 2023, el detector ARCA del telescopi submarí de neutrins KM3NeT va detectar un extraordinari esdeveniment associat a un neutrí d'una energia estimada molt major que les partícules que produeix el LHC del CERN: uns 220 PeV (220.000 bilions d’electronvolts). Aquest esdeveniment, anomenat KM3-230213A, és el neutrí més energètic mai observat fins a la data i proporciona la primera evidència que, en l'Univers, es produeixen neutrins d'aquestes característiques. Després d'un llarg i meticulós treball per a analitzar i interpretar les dades, la col·laboració de KM3NeT acaba d'informar dels detalls d'aquesta troballa en un article publicat en Nature.

L'esdeveniment detectat es va identificar com un muó –partícula elemental emparentada amb l'electró– que va travessar tot el detector, produint senyal en més d'un terç dels sensors. La inclinació de la seua trajectòria, juntament amb la seua enorme energia, proporciona proves convincents que el muó es va originar a partir d'un neutrí còsmic que va interactuar en les proximitats del detector.

“KM3NeT ha començat a explorar un rang d'energia i sensibilitat on els neutrins detectats poden ser produïts en fenòmens astrofísics extrems. Aquesta primera detecció d'un neutrí de centenars de PeV obri un nou capítol en l'astronomia de neutrins i una nova finestra d'observació de l'univers”, comenta Paschal Coyle, portaveu de KM3NeT en el moment de la detecció i investigador del Centre de Física de Partícules IN2P3/CNRS de Marsella (França).

Neutrins, les partícules elementals més misterioses

L'univers d'alta energia és el regne d'esdeveniments colossals com els forats negres supermassius, les explosions de supernoves i els esclats de raigs gamma, successos que encara no es comprenen completament. Aquests poderosos acceleradors còsmics generen fluxos de partícules anomenades raigs còsmics, que poden interaccionar amb la matèria del seu voltant produint neutrins i fotons. Durant el seu viatge per l'univers, els raigs còsmics més energètics poden interactuar amb els fotons de la radiació de fons de microones, la primera llum després de l'origen del cosmos, per a produir neutrins extremadament energètics, anomenats cosmogènics.

“Els neutrins són partícules elementals molt misterioses. No tenen càrrega elèctrica, tenen molt poca massa i interactuen feblement amb la matèria. Són missatgers còsmics especials, que ens proporcionen informació única sobre els mecanismes involucrats en els fenòmens més energètics i ens permeten explorar els confins més llunyans de l'univers”, explica Rosa Coniglione, portaveu adjunta de KM3NeT en el moment de la detecció i investigadora en l'Institut Nacional de Física Nuclear (INFN) d'Itàlia.

Encara que es tracta de la segona partícula més abundant de l'univers, després dels fotons que formen la llum, la interacció extremadament feble dels neutrins amb la matèria fa que aquests siguen molt difícils d'identificar, per la qual cosa es requereixen detectors enormes. El telescopi KM3NeT, actualment en construcció, és una gegantesca infraestructura en el fons de la mar que conté dos detectors – ARCA i ORCA– i que utilitza l'aigua de la mar com a mitjà d'interacció per a detectar els neutrins. Els seus mòduls òptics d'alta tecnologia capten la llum Cherenkov, una resplendor blavosa que genera la propagació en l'aigua de partícules ultres-relativistes resultants de les interaccions amb neutrins.

Aquest neutrí d'ultra alta energia pot tindre el seu origen directament en un potent accelerador còsmic. Alternativament, podria ser la primera detecció d'un neutrí cosmogènic, encara que és difícil arribar a conclusions sobre el seu origen, segons els científics de la col·laboració. Les futures observacions se centraran en detectar més esdeveniments d'aquest tipus per a construir-ne una imatge més clara. L'expansió en curs de KM3NeT amb unitats de detecció addicionals i l'adquisició de noves dades milloraran la seua sensibilitat i augmentaran la seua capacitat per a identificar fonts de neutrins còsmics, convertint KM3NeT en un actor principal de l'astronomia multimissatger.

Participació espanyola en KM3NeT

La col·laboració KM3NeT reuneix més de 360 científics i científiques, enginyers i enginyeres, personal tècnic i estudiants de 68 institucions i 22 països. A Espanya participen l'Institut de Física Corpuscular (IFIC, UV-CSIC), la Universitat Politècnica de València (UPV), la Universitat de Granada, la Unitat Mixta de l'Institut Espanyol d'Oceanografia (IEO, CSIC) i el LAB de la Universitat Politècnica de Catalunya.

Coordinada pel físic de la Universitat de València a l’IFIC Juan de Dios Zornoza Gómez, la participació dels grups espanyols en KM3NeT està finançada per diferents programes del Ministeri de Ciència, Innovació i Universitats, així com per programes europeus i regionals (Generalitat Valenciana i Junta d'Andalusia).

El grup de l’IFIC –denominat VEGA (Valencia Experimental Group of Astroparticles) està format per una vintena de membres, homes i dones també de la ciència i l'enginyeria. “En el nostre laboratori s'han dissenyat i testat alguns dels elements clau del detector, com les targetes electròniques principals d'adquisició, i alguns elements per al calibratge. A més, hem participat i fins i tot liderat diverses anàlisis sobre astronomia multimissatger, oscil·lacions de neutrins o cerca de matèria fosca i de nova física a través dels neutrins, entre altres. El pla és continuar el treball en tots aquests fronts”, explica Juan de Dios Zornoza. “Estem treballant per a arribar a un coneixement més profund d'aquest extraordinari succés i esperem continuar collint nous resultats conforme al gran volum d'oportunitats que ofereix l'astronomia de neutrins”, conclou Juan José Hernández Rey, professor d'investigació del CSIC i fundador del grup VEGA de l’IFIC.

Astronomia de neutrins

L'àrea de l'astronomia de neutrins es troba en plena expansió, i els equips investigadors espanyols confien que, una vegada completa la instal·lació dels dos detectors de KM3NeT, s'obtinguen noves dades sobre el misteri de l'origen dels neutrins còsmics. “Per a determinar la direcció i l'energia d'aquest neutrí es va requerir un calibratge precís del telescopi i sofisticats algorismes de reconstrucció de traces. A més, la troballa es va aconseguir amb només una desena part de la configuració final del detector, cosa que demostra el gran potencial del nostre experiment per a l'estudi dels neutrins i l'astronomia de neutrins”, afegeix finalment Aart Heijboer, coordinador de Física i Programari de KM3NeT en el moment de la detecció i investigador en l'Institut Nacional de Física Subatòmica (Nikhef), als Països Baixos.