El passat dimecres, 12 de febrer de 2025, una col·laboració internacional amb la participació del CSIC va informar a la revista Nature sobre la detecció del neutrí de major energia observat fins a la data i captat pel detector KM3NeT, submergit a les aigües del Mediterrani. Es tracta d’una partícula elemental elusiva, extremadament difícil d’observar i d’origen desconegut. El descobriment evidencia el potencial d’aquest experiment per estudiar el cosmos a través dels neutrins, la segona partícula més abundant a l’univers darrere dels fotons.
Aquest rellevant descobriment, portada de la prestigiosa revista científica, proporciona la primera evidència que neutrins d’energies tan altes es produeixen a l’univers, encara que el seu origen continua sent desconegut. A KM3NeT participen diversos grups científics espanyols, entre ells l’Institut de Física Corpuscular (IFIC), centre mixt del Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC) i la Universitat de València, i la Unitat Mixta de l’Institut Espanyol d’Oceanografia del CSIC i la Universitat Politècnica de València.
El 13 de febrer de 2023, el detector ARCA del telescopi submarí de neutrins KM3NeT va detectar un esdeveniment extraordinari associat a un neutrí d’una energia estimada d’uns 220 PeV (220.000 bilions d’electronvolts, molt més gran que les partícules que produeix el LHC del CERN). Aquest esdeveniment, anomenat KM3-230213A, fa referència al neutrí més energètic observat fins ara i proporciona la primera evidència que neutrins d’energies tan altes es produeixen a l’univers. Després d’un llarg i meticulós treball per analitzar i interpretar les dades, la col·laboració de KM3NeT comparteix avui els detalls d’aquest descobriment en un article sense precedents publicat a la revista Nature.
L’esdeveniment detectat es va identificar com un muó (una partícula elemental parent de l’electró) que va travessar tot el detector, produint senyal en més d’un terç dels sensors. La inclinació de la seva trajectòria, juntament amb la seva enorme energia, proporciona proves convinents que el muó es va originar a partir d’un neutrí còsmic que va interactuar a 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 obre 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 al 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 les explosions de raigs gamma, successos que encara no es comprenen completament. Aquests poderosos acceleradors còsmics generen fluxos de partícules anomenades raigs còsmics, que poden interactuar amb la matèria que els envolta, 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 produir neutrins extremadament energètics: els neutrins cosmogènics.
“Els neutrins són una de les partícules elementals més misterioses. Careixen de càrrega elèctrica, gairebé no tenen massa i interactuen dèbilment amb la matèria. Són missatgers còsmics especials que ens proporcionen informació única sobre els mecanismes implicats 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 a l’Institut Nacional de Física Nuclear (INFN) d’Itàlia.
Tot i que són la segona partícula més abundant de l’univers després dels fotons que formen la llum, la seva interacció extremadament dèbil amb la matèria els fa molt difícils de detectar i requereix detectadors enormes. El telescopi de neutrins KM3NeT, actualment en construcció, és una infraestructura gegantina al fons del mar composta per dos detectors, ARCA i ORCA. KM3NeT utilitza l’aigua del mar com a mitjà d’interacció per detectar els neutrins. Els seus mòduls òptics de tecnologia d’alta gamma detecten la llum Cherenkov, un resplendor blavós que genera la propagació a l’aigua de partícules ultrarelativistes resultants de les interaccions amb neutrins.
Aquest neutrí d’ultra alta energia pot tenir el seu origen directament en un potent accelerador còsmic. Alternativament, podria ser la primera detecció d’un neutrí cosmogènic. No obstant això, basant-se en aquest únic neutrí, és difícil arribar a conclusions sobre el seu origen, com afirmen els científics de la col·laboració. Les futures observacions se centraran a detectar més esdeveniments d’aquest tipus per construir una imatge més clara. L’expansió en curs de KM3NeT amb unitats de detecció addicionals i l’adquisició de nous dades milloraran la seva sensibilitat i augmentaran la seva capacitat per identificar fonts de neutrins còsmics, convertint KM3NeT en un actor principal a l’astronomia multimensatger.
Participació espanyola a KM3NeT
La col·laboració KM3NeT reuneix més de 360 científics, enginyers, tècnics i estudiants de 68 institucions de 22 països de tot el món. A Espanya participen l’Institut de Física Corpuscular (IFIC), centre mixt del CSIC i la Universitat de València; la Unitat Mixta de l’Institut Espanyol d’Oceanografia (IEO) del CSIC i la Universitat Politècnica de València (UPV); l’IGIC de la Universitat Politècnica de València; la Universitat de Granada i el LAB de la Universitat Politècnica de Catalunya.
La participació espanyola als telescopis de neutrins va començar fa tres dècades, quan un petit grup d’investigadors de l’IFIC es van unir a la iniciativa de construir el primer telescopi de neutrí submarí, ANTARES, que va començar a prendre dades a mitjan anys 2000. El professor d’investigació del CSIC a l’IFIC Juan José Hernández Rey, portaveu adjunt d’ANTARES durant la seva construcció i primera operació, afirma que “en aquells moments encara estava per demostrar la viabilitat tècnica d’instal·lar al fons del mar un instrument similar. L’únic intent precedent, un projecte estatunidenc, va acabar sent cancel·lat.” ANTARES, que va operar durant 16 anys i va ser desmantellat recentment, va marcar el camí a seguir.
Poc temps després que ANTARES entrara en funcionament va començar el disseny d’un telescopi encara més gran, KM3NeT, actualment en fase d’instal·lació encara que ja pot prendre dades en la seva configuració parcial. “Els grups espanyols que formen part de KM3NeT, a més de participar en la construcció de diversos elements del telescopi, cobreixen diverses línies d’investigació: astronomia multimensatger, cerca de matèria fosca, estudi de les oscil·lacions de neutrins, cerca de nova física a través dels neutrins…”, explica el professor de la UV Juan de Dios Zornoza Gómez, coordinador dels grups espanyols a KM3NeT. “També treballem en les implicacions d’aquest extraordinari succés i en el seu coneixement més profund.”
La participació dels grups espanyols a KM3NeT està finançada per diversos programes del Ministeri de Ciència, Innovació i Universitats, així com programes europeus i regionals (Generalitat Valenciana i Junta d’Andalusia). La contribució activa del CSIC a KM3NeT respon a l’aposta decidida del major organisme de ciència espanyol pel desenvolupament de les grans infraestructures científiques internacionals.
Astronomia de neutrins
L’àrea de l’astronomia de neutrins es troba en plena expansió i els investigadors espanyols confien que, amb la instal·lació completa dels dos detectors de KM3NeT, ARCA i ORCA, es pugui aportar nova llum sobre el misteri de l’origen dels neutrins còsmics. “Per a determinar la direcció i l’energia d’aquest neutrí es va requerir una calibració precisa del telescopi i sofisticats algoritmes de reconstrucció de trajectòries. A més, aquesta extraordinària detecció es va aconseguir amb només una dècima part de la configuració final del detector, demostrant el gran potencial del nostre experiment per a l’estudi dels neutrins i l’astronomia de neutrins”, comenta Aart Heijboer, coordinador de Física i Programari de KM3NeT en el moment de la detecció i investigador a l’Institut Nacional de Física Subatòmica (Nikhef), als Països Baixos.
Membres de l’equip VEGA de l’IFIC, al costar d’un dels elements del detector ANTARES, predecessor de KM3NeT. D’esquerra a dreta, fila posterior: Juan Zúñiga, David Calvo, Francisco Salesa, Diego Real, Mario Manzaneda, Juan de Dios Zornoza, Juan Palacios, Adrian Saina, Emilio Pastor, Alfonso García, Alfonso Lazo, Rebecca Gozzini, Vincent Cecchini, Agustín Sánchez; fila anterior: Jorge Prado, Nadja Lessing, Juan José Hernández, Adriana Bariego, Sergio Alves.
Referència:
The KM3NeT Collaboration. Observation of an ultra-high-energy cosmic neutrino with KM3NeT. Nature, 2025. DOI: 10.1038/s41586-024-08543-1
Material de descàrrega (fotos, vídeos, infografies): https://saco.csic.es/s/QHdMoSJB8oDgpAf