A principios de este año, un detector submarino en el Mar Mediterráneo encontró el neutrino más enérgico hasta la fecha. Y los científicos todavía están hablando de eso porque, bueno, este descubrimiento podría ser un gran problema. Este neutrino no solo podría, también conocido como “partícula fantasma”, ha estado huyendo una explosión de rayos gamma o un agujero negro supermasivo, sino que también podría haber sido producido por un rayo cósmico ultra potencial que interactúa con el fondo de microondas cósmico (CMB).
Esa última parte que llegaremos pronto, podría ser enorme. Además, el detector que identificó esta partícula aún no está totalmente construido, una vez unido, quién sabe lo que puede lograr. “Estamos emocionados de haber observado este evento y estamos hambrientos y curiosos por más”, dijo el portavoz de KM3NET, Paul de Jong de la Universidad de Amsterdam.
Para algunos antecedentes, el neutrino fue detectado el 13 de febrero de 2023 por la Unión Europea financiada Km3netEl telescopio de neutrinos del kilómetro cúbico. Los neutrinos son partículas fantasmales porque tienen muy poca masa y rara vez interactúan con otras formas de materia, lo que las hace muy difíciles de detectar. Los billones de neutrinos pasan por su cuerpo cada segundo, pero no se puede decir. Los científicos tienen que ser pacientes para detectar incluso un neutrino.
Los detectores modernos de neutrinos se colocan en agua, y particularmente en la oscuridad. A veces, esa agua se mantiene en un tanque, como fue el caso del Observatorio de Neutrinos Sudbury en Canadá, así como con Super-Kamiokande en Japón. Otras veces, esa agua está congelada en el suelo, como en el caso del Observatorio de neutrinos de ICECUBE en el Polo Sur. Pero también es posible que los detectores de neutrinos se sumerjan literalmente en el mar, como es el caso con KM3Net, que se extiende tan profundo como 2.17 millas (3.5 kilómetros) debajo de las olas.
La razón por la que el agua es tan importante es que, ocasionalmente, un neutrino interactuará con una molécula de agua. Las energías involucradas pueden ser tan grandes que la colisión desglose la molécula de agua en un montón de núcleos y partículas hija, específicamente muones. Los muones viajan rápidamente, casi como rápido como la luz En el vacío, y definitivamente más rápido que la luz a través del agua: el índice de refracción del agua disminuye la luz a aproximadamente 738,188,976 pies por segundo (225,000,000 metros por segundo) en comparación con 983,571,056 pies por segundo (299,792,458 metros por segundo) en un vacío. Debido a que los muones viajan más rápido que la luz en el agua, emiten el equivalente de un boom sónico en forma de un destello de luz. Esta luz se llama radiación Cherenkov.
KM3Net consta de dos detectores. El primero, llamado Orca, es de 8,038 pies (2,450 metros) de profundidad en la costa de Francia y está diseñado para estudiar cómo los neutrinos oscilan entre los diferentes tipos de neutrinos. El otro, también conocido como el detector que vio el nuevo neutrino energético, que ha sido catalogado como KM3-230213A, se llama ARCA y se encuentra en la costa de Sicilia.
Tanto ARCA como Orca todavía están en construcción. Cuando se complete, ARCA contará con 230 líneas de detección verticales que descenden al mar. Cada uno estará revestido con 18 módulos ópticos que contienen 31 tubos fotomultiplicadores que pueden detectar destellos de radiación de Cherenkov en la oscuridad a esas profundidades. En el momento en que ARCA detectó KM3-230213A, solo 21 de sus líneas de detección estaban en funcionamiento.
El Muon Arca detectado tenía una energía de 120 PEV (1,000 billones, o cuadrillones, electronvoltios), lo que implica el neutrino que lo produjo debe haber tenido una energía récord de 220 PEV. Esto es 100 billones de veces más enérgicos que los fotones de luz visible, y 30 veces más enérgico que el neutrino que tenía el registro de energía anterior.
Los muones pueden viajar varias millas a través del mar antes de ser absorbido, y Km3Net detectó el muón que viajaba horizontalmente en lugar de recto hasta el fondo del mar.
“La dirección horizontal en el muón es muy relevante”, dijo De Jong.
Los muones también se pueden formar en rayos cósmicos Spalation, en la que entra un rayo cósmico Ambiente de la Tierra y choca con una molécula o átomo, destrozándola en una lluvia de partículas subatómicas. Los muones formados de esta manera pueden llegar a la superficie o entrar en el océano mientras viajan hacia abajo, no horizontalmente. Para haberse movido horizontalmente, el muón debe haberse creado “cerca del detector, y el único escenario realista es que fue creado por un neutrino de alta energía”, dijo De Jong.
Un neutrino de 220 PEV no tiene precedentes. Sin entorno u objeto conocido en nuestro Galaxia de la Vía Láctea podría haber producido un neutrino con tanta energía. Eso significa que su origen debe ser extragaláctico, tal vez creado en la violencia de una estrella que explota y produciendo un estallido de rayos gammao un agujero negro supermasivo rasgando un estrella o nube de gas a pedazos con sus fuerzas de marea gravitacionales titánicas. Debido a que los neutrinos no están desviados por los campos magnéticos o por la gravedad, su dirección de viaje conduce a su fuente.
“La dirección del muón es casi idéntica a la dirección del neutrino original, por lo que podemos jugar el juego de señalarlo a su origen cósmico”, dijo De Jong.
Ese origen está en algún lugar en la dirección de la constelación de Orión, el cazador. Sin embargo, si bien hay numerosas galaxias activas con agujeros negros supermasivos en esa región, ninguna de ellas mostraba actividad en ese momento que podía explicar el neutrino, ni una explosión de rayos gamma se detectó desde esa dirección en ese momento.
Pero otra posibilidad intrigante es que KM3-230213A es el primer neutrino “cosmogénico” que se descubre, producido cuando un rayo cósmico de energía ultra alta se estrella contra un fotón que pertenece al fondo de microondas cósmicoque es la luz residual lanzada 379,000 años después del Big Bang.
Se necesitaría un rayo cósmico extremadamente enérgico para poder producir un neutrino como KM3-230213A. Los rayos cósmicos superiores a 100,000 PEV han sido detectados por los gustos del Observatorio Pierre Auger en Argentina. Sus orígenes son inciertos, pero, en teoría, cada vez que un rayo cósmico encuentra un fotón CMB, la colisión puede producir neutrinos tan enérgicos como KM3-230213A.
Cuanto mayor sea la energía de rayos cósmicos, mayor es su sección transversal de interacción, lo que significa que es más probable que interactúe con los fotones CMB. Las interacciones constantes entre los rayos cósmicos y los fotones CMB ralentizan el rayo cósmico, limitando su energía cinética. Esto se llama el límite de Greisen -Zatsepin – Kuzmin (GZK).
La posibilidad de un neutrino cosmogénico excita de Jong. “Sería la primera observación de un neutrino cosmogénico, y sería la primera confirmación del corte GZK fuera de los rayos cósmicos cargados, e incluso allí la prueba es ambigua”, dijo.
Además, la energía de los neutrinos cosmogénicos puede revelar las propiedades de estos rayos cósmicos de energía ultra alta. Este parámetro es clave para descubrir si tales fenómenos están hechos solo de protones o núcleos atómicos más pesados y, por lo tanto, lo que los produce. Aunque KM3-230213A fue el único neutrino de energía extremadamente alto detectado por KM3NET, sin duda habrá muchos más pasar por Tierra que no se detectan. ¿La detección temprana de KM3NET con ARCA Bode bien para finalmente poder detectar tales neutrinos con más frecuencia?
“¡Ciertamente lo esperamos!” dijo de Jong. “Pero de manera realista, otros experimentos como IceCube han estado tomando datos por más tiempo y no han observado tal evento, por lo que simplemente podríamos haber tenido suerte”.
El descubrimiento fue descrito en un artículo publicado el 12 de febrero en la revista Naturaleza.