Telescopios submarinos de neutrinos para la astronomía multimensajero

Los neutrinos son partículas bastante raras, y no es porque haya pocas: son la segunda partícula más abundante del universo. De hecho, cada segundo atraviesan nuestro cuerpo billones de neutrinos producidos en el Sol, incluso de noche. Decimos que son raras justamente porque pueden atravesarnos, cruzar la Tierra y seguir su camino intactas.

Esta propiedad es lo que ha hecho que cientos de científicos e ingenieros de todo el mundo hayan trabajado durante años para construir y operar telescopios gigantescos que permitan estudiar el cosmos con este tipo de partículas. Estos telescopios también son ‘raros’. Su funcionamiento se basa en detectar una luz azulada (denominada luz Cherkenkov) que se emite cuando un neutrino interacciona cerca del detector y produce otras partículas.

Los telescopios de neutrinos consisten en una red de cientos o miles de detectores de luz encapsulados en esferas de cristal de tamaño de un balón de playa e instalados en el fondo del mar o en el hielo antártico. Este último es el caso de IceCube, localizado en la Antártida, que acaba de publicar la detección de neutrinos provenientes del blazar TXS 0506+056.

Un blazar es un caso particular de galaxia de núcleo activo (AGN, por sus siglas en inglés), es decir, galaxias en las que existe un agujero negro con una masa millones de veces mayor que la del Sol sobre la que cae materia a gran velocidad.

Las AGN son uno de los candidatos favoritos de los astrofísicos para explicar uno de los misterios más longevos en Física: ¿Cuál es el origen de los rayos cósmicos de gran energía que observamos? Por tanto, el descubrimiento tiene gran importancia y trascendencia, como fue subrayado en la rueda de prensa donde se presentó.

Además de arrojar luz sobre la cuestión del origen de los rayos cósmicos, confirma que estamos en una nueva era en la observación del cielo. En los últimos dos años hemos asistido al nacimiento de la astronomía de multimensajeros. La reciente observación de ondas gravitacionales y la identificación de la primera fuente de neutrinos cósmicos de alta energía nos van a permitir tener una comprensión mucho más completa del universo.

Detectores de un kilómetro cúbico

El nuevo descubrimiento tiene detrás un esfuerzo enorme para construir un detector que abarca un kilómetro cúbico enterrado a 2.000 metros bajo la superficie del Polo Sur. Tuve la suerte de participar como miembro de esta colaboración durante una estancia postdoctoral de dos años en la Universidad de Madison-Wisconsin (la institución estadounidense que lidera la colaboración internacional IceCube), bajo la dirección de Francis Halzen, investigador principal del proyecto.

La experiencia del experimento ANTARES servirá para KM3NeT. / IFIC

Mi labor estuvo centrada en el análisis de las prestaciones esperadas para este detector y allí pude comprobar de cerca la rigurosidad de las pruebas de calidad de todos los elementos y el altísimo de nivel de organización logística, que han hecho posible instalar y operar exitosamente este detector en un ambiente tan extremo como la Antártida.

Pero hay que recordar que actualmente existen dos proyectos en el mar Mediterráneo dedicados también a buscar neutrinos cósmicos: ANTARES y KM3NeT, en los que participan grupos españoles (el Instituto de Física Corpuscular o IFIC, la Universidad Politécnica de Valencia y la Universidad de Granada).

ANTARES lleva tomando datos desde 2007. Es bastante más pequeño que IceCube (en una proporción 1:50), pero ha demostrado la viabilidad de su técnica en el fondo del mar, con importantes ventajas respecto al hielo. En particular, se observa como la luz se dispersa menos en el agua y una mejor resolución angular, algo crucial en un telescopio para identificar bien de dónde vienen los neutrinos.

KM3NeT operará en 2020 en el Mediterráneo

Esto ha impulsado el siguiente paso: construir un detector del tamaño de IceCube en el Mediterráneo. Se llama KM3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope) y ya se han comenzado a instalar sus primeras líneas. En 2020 contará con un centenar de líneas cerca de la costa francesa y otro centenar al sur de Italia.

Es interesante señalar que hay una cooperación bastante cercana entre estos dos experimentos del Mediterráneo y IceCube, incluyendo reuniones anuales conjuntas. De hecho, ANTARES fue una de las colaboraciones científicas que recibió la alerta e información previa sobre el blazar TXS 0506+056, lo que nos ha permitido estudiar si había una señal de esa fuente en nuestros datos.

Los telescopios de neutrinos como ANTARES y KM3NeT también están centrados en uno de los grandes retos de la física de partículas actual: la búsqueda de materia oscura. Sabemos que la materia oscura constituye el 80% de la materia del universo, pero no está hecha de ningún tipo de partícula que conozcamos. Precisamente porque no sabemos de qué está constituida, necesitamos abordar la búsqueda mediante diversas técnicas experimentales, y los telescopios de neutrinos ofrecen ventajas específicas.

En nuestro caso, las fuentes más prometedoras son el Sol y el centro galáctico. La idea es que las partículas de materia oscura se acumulan en estos objetos astrofísicos, y cuando chocan entre ellas producen diversas partículas, entre ellas neutrinos. Ya se han realizado análisis con datos de ANTARES, pero hasta ahora no se han encontrado las señales que buscamos. La construcción de KM3NeT mejorará notablemente nuestra capacidad para estas búsquedas, de manera que quizá en los próximos años podamos desentrañar este misterio.

Así será el futuro telescopio KM3NeT. / © Marco Kraan/Nikhef