El telescopio de KM3NeT busca los orígenes del universo en el fondo marino

El telescopio de neutrinos KM3NeT, ubicado en el fondo del Mediterráneo, se embarcó en una emocionante aventura para descubrir los orígenes del universo. Esta infraestructura científica, compuesta por largas cadenas de sensores que se extienden a un kilómetro de profundidad, fue diseñada para captar partículas subatómicas conocidas como neutrinos, que pueden viajar sin obstáculos por el espacio, incluso a través de planetas y estrellas, aportando pistas sobre eventos que ocurren lejos de nuestro sistema solar.

En febrero de 2023, KM3NeT registró un evento sorprendente: un destello de energía pura indicó la detección del neutrino más energético jamás observado, con una energía 30 veces superior a cualquier registro anterior. Desde entonces, los científicos se han esforzado por determinar el origen de esta extraordinaria señal.

¿Por qué la búsqueda de neutrinos?

Los neutrinos, teorizados por primera vez en la década de 1930, son partículas abundantes en el universo, aunque extremadamente esquivas. Cada segundo, miles de millones de neutrinos atraviesan nuestros cuerpos sin dejar rastro alguno. Carecen de carga eléctrica y tienen casi masa inexistente—siendo más de un millón de veces más ligeros que un electrón—lo que dificulta su detección. Esta cualidad fantasmagórica los convierte en un tema de fascinación para los físicos.

"Los neutrinos son las partículas más interesantes que existen en este momento", afirmó Paschal Coyle del Centro Nacional Francés de Investigación Científica, quien coordina el proyecto KM3NeT-INFRADEV2, el cual apoya el desarrollo de la infraestructura de KM3NeT. "Existen muchos misterios que los rodean; son los menos comprendidos de las partículas fundamentales".

Al poder cruzar el universo sin ser absorbidos, los neutrinos transportan información sin adulterar de entornos extremos, como estrellas explosivas, agujeros negros y colisiones cósmicas, lo que podría revelar el funcionamiento del universo e incluso explicar por qué existe la materia.

"Los neutrinos son lo más cercano a la nada que podemos imaginar, pero son claves para comprender el funcionamiento del universo", añadió Coyle.

Cazando fantasmas

Pacientemente, KM3NeT espera los raros momentos en que un neutrino interfiere con un núcleo atómico, provocando una lluvia de partículas secundarias. En medios densos y transparentes, como el agua o el hielo, esta colisión libera un débil destello de luz, conocido como radiación Cherenkov, y los sensores del KM3NeT están diseñados para captar esta señal.

KM3NeT se distingue entre otros observatorios de neutrinos, como IceCube en la Antártida y Super-Kamiokande en Japón. Mientras que IceCube escanea el hielo polar, KM3NeT observa las aguas oscuras del Mar Mediterráneo. Este ambicioso proyecto de investigación, respaldado por un consorcio internacional con financiación de la UE y nacional, consta de dos instalaciones: ARCA, enfocada en neutrinos de alta energía, ubicada cerca de Sicilia, y ORCA, destinada al estudio del comportamiento y la masa de los neutrinos, situada cerca de Toulon en Francia.

Con más de 1,000 módulos instalados y planes para completar 6,000 para 2027, cada conjunto de sensores se asemeja a rascacielos sumergidos que se elevan del fondo del mar. El diseño y la construcción de este detector han sido un trabajo monumental.

"Apareció como una idea loca construir un detector en el fondo del mar para atrapar estas partículas extrañas", comentó Aart Heijboer, físico sénior del Instituto Nacional Neerlandés para la Física Subatómica, quien contribuyó al diseño del telescopio. "Eso me llamó la atención".

Señales récord

El neutrino descubierto en 2023, denominado KM3-230213A, registró una energía de 220 petaelectronvolts (PeV), un valor extraordinariamente elevado para una sola partícula, casi inconcebible en la física de partículas. "No esperábamos encontrar un evento así", confesó Coyle. "Tuvimos que rehacer una serie de simulaciones".

¿De dónde provino? Esa sigue siendo la gran incógnita. Los neutrinos son generados por diversas fuentes, desde reacciones nucleares en el sol hasta estrellas en explosión (supernovas) y otros eventos cósmicos de alta energía. Una teoría sugiere que los neutrinos más energéticos se originan en blazares—galaxias activas cuyas agujeros negros supermasivos lanzan chorros de energía directamente hacia la Tierra.

Otra posibilidad es que los rayos cósmicos de alta energía, que atraviesan el universo, colisionen con fotones de luz, generando neutrinos. Si KM3-230213A fue producido de esta manera, señalaría que los neutrinos cosmogénicos son más comunes de lo que se creía.

"O podríamos haber tenido suerte", se sincera Coyle. "Tal vez KM3NeT logró captar por casualidad un rarísimo neutrino de muy alta energía".

Los investigadores están refinando sus cálculos para rastrear su origen exacto. "En los próximos meses, tendremos una medición mucho más precisa de su dirección", afirmó Heijboer. "Si proviene de un blazar, eso sería muy emocionante. Si es cosmogénico, también sería emocionante".

La naturaleza de la materia

Mientras ARCA busca la fuente de las partículas más poderosas del universo, ORCA se centra en cómo los neutrinos cambian de identidad, oscilando entre los tres 'sabores' diferentes—electrón, muón y tau—mientras viajan por el espacio. Estas oscilaciones podrían revelar el orden de masas de los neutrinos, un aspecto faltante en el Modelo Estándar de física. Este orden de masa se refiere a la secuencia de estado de las tres masas de neutrinos, desde la más ligera hasta la más pesada.

¿Por qué es esto importante? Porque entender los neutrinos podría explicar por qué hay algo en lugar de nada.

Tras el Big Bang, hace 13.7 mil millones de años, la materia y la antimateria deberían haberse aniquilado mutuamente, dejando solo espacio vacío. Sin embargo, la materia sobrevivió. Los neutrinos podrían ser la clave, especialmente si resultan ser su propia antipartícula—una posibilidad que los científicos están ansiosos por probar.

"Todos los experimentos que intentan medir la diferencia entre un neutrino y un antineutrino se confunden porque no saben cuál es el orden de masas", explicó Coyle. "Es un insumo importante para descubrir por qué hay más materia que antimateria".

Con la construcción de KM3NeT, Europa ha asegurado un papel protagónico en esta búsqueda científica global, y ya se comienzan a notar los frutos de esta inversión.

La transición del telescopio a nuevas tecnologías y el despliegue de miles de sensores adicionales fortalecerán aún más a Europa en la investigación fundamental, dándole la capacidad de captar algunas de las señales más tenues de la naturaleza.

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