Un neutrino récord podría ser la prueba de una explosión de agujero negro

En 2023, se detectó un neutrino, una partícula subatómica, con un nivel de energía tan extremo que parecía imposible. Este neutrino tenía aproximadamente 100,000 veces más energía que cualquier cosa producida por el Large Hadron Collider, el acelerador de partículas más poderoso del planeta.

Investigadores de la Universidad de Massachusetts Amherst creen haber encontrado una explicación para este fenómeno. Su teoría sugiere que el neutrino podría haber surgido de la explosión de un tipo raro de agujero negro conocido como agujero negro primordial cuasi-extremal.

Un indicio hacia los secretos más profundos del universo

En un estudio publicado en Physical Review Letters, los científicos explicaron cómo una explosión de este tipo podría generar un neutrino con tal energía extraordinaria. Además, proponen que este único neutrino podría ofrecer información crucial sobre la estructura fundamental del universo.

¿Qué son los agujeros negros primordiales?

Los agujeros negros típicos se forman cuando una estrella masiva agota su combustible y colapsa en una poderosa supernova. Sin embargo, en 1970, el físico Stephen Hawking propuso que también podrían existir agujeros negros que se formaron en el universo temprano, poco después del Big Bang, conocidos como agujeros negros primordiales (PBHs). Aunque no se han observado directamente, su existencia es teóricamente posible.

Hawking demostró que los agujeros negros pueden emitir partículas a través de un proceso llamado radiación de Hawking, y que mientras más ligeros son, más partículas emiten.

Radiación de Hawking y explosiones de agujeros negros

"Cuanto más liviano es un agujero negro, más caliente debe ser y más partículas emitirá", afirmó Andrea Thamm, coautora del estudio y profesora asistente de física en UMass Amherst. "A medida que los PBHs se evaporan, se vuelven más ligeros y, por ende, más calientes, emitiendo aún más radiación hasta explotar. Es esa radiación de Hawking la que nuestros telescopios pueden detectar".

Si los científicos pudieran observar una de estas explosiones, podrían revelar diversos tipos de partículas fundamentales, incluyendo electrones, quarks y bosones de Higgs, así como partículas hipotéticas como las de materia oscura.

Investigaciones anteriores del equipo de UMass Amherst sugieren que estas explosiones podrían ocurrir más a menudo de lo esperado, tal vez una vez cada década, y que con los instrumentos actuales ya podría ser posible detectarlas.

De la teoría a la observación

Hasta hace poco, esta idea era puramente teórica. Sin embargo, en 2023, la colaboración KM3NeT detectó el neutrino extremadamente energético. La observación coincidió con el tipo de señal que los investigadores habían predicho.

Un rompecabezas entre dos experimentos

Sin embargo, este descubrimiento generó una nueva pregunta. Otro experimento importante, IceCube, que también está diseñado para detectar neutrinos de alta energía, no registró nada similar, ni siquiera un neutrino con una fracción de esa energía. Si los agujeros negros primordiales son comunes y explotan frecuentemente, ¿por qué no se observan más a menudo? Esta inconsistencia necesitaba una explicación.

El papel de la "carga oscura"

"Creemos que los PBHs con una 'carga oscura', lo que llamamos PBHs cuasi-extremales, son el eslabón perdido", indicó Joaquim Iguaz Juan, investigador postdoctoral en física en UMass Amherst y coautor del artículo.

La "carga oscura" propuesta se comporta de manera similar a la fuerza eléctrica, pero incluye una versión mucho más pesada del electrón, denominada "electrón oscuro".

"Existen otros modelos más simples de PBHs, pero nuestro modelo de carga oscura es más complejo, lo que significa que puede ofrecer un modelo más preciso de la realidad. Lo interesante es que nuestro modelo puede explicar este fenómeno que de otro modo sería inexplicable", añadió Michael Baker, coautor y profesor asistente de física en UMass Amherst.

"Un PBH con carga oscura tiene propiedades únicas y se comporta de maneras diferentes a otros modelos de PBHs más simples. Hemos demostrado que esto puede explicar todos los datos experimentales aparentemente inconsistentes".

¿Podría esto explicar la materia oscura?

Los investigadores creen que su modelo podría hacer más que explicar un único neutrino inusual; podría ayudar a resolver uno de los mayores misterios de la física. "Las observaciones de galaxias y del fondo cósmico de microondas sugieren que existe algún tipo de materia oscura", mencionó Baker. "Si nuestra carga oscura hipotetizada es cierta, entonces creemos que podría haber una población significativa de PBHs, lo que sería consistente con otras observaciones astrofísicas y podría explicar toda la materia oscura que falta en el universo".

Una nueva ventana al universo

"La observación del neutrino de alta energía fue un evento increíble", concluyó Baker. "Nos dio una nueva ventana al universo. Pero ahora podríamos estar a punto de verificar experimentalmente la radiación de Hawking, obtener evidencia tanto de agujeros negros primordiales como de nuevas partículas más allá del Modelo Estándar, y explicar el misterio de la materia oscura".

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