Caçant neutrins al fons del Mediterrani

Una finestra per estudiar l'univers al fons del mar

El 13 de febrer de 2023 el telescopi submarí de neutrins KM3NeTva detectar un esdeveniment extraordinari, associat a un neutrí al qual se li estimava una energia de 220.000 bilions d'electrovolts. És a dir, 10.000 vegades més que les partícules que produeix l'accelerador de partícules més gran del món, el Gran Col·lisionador d'Hadrons de l'Organització Europea per a la Recerca Nuclear (CERN).

Després d'un treball intens, els científics de KM3Net van aconseguir demostrar que es tractava del neutrí més energètic observat per l'ésser humà. I pràcticament dos anys després, el 12 de febrer del 2025, la revista Nature li dedicava la seva portada. I és que la troballa és especialment rellevant perquè proporciona la primera evidència que neutrins d'energies tan altes es produeixen a l'univers, tal com ens expliquen des del CSIC.

• Els neutrins són partícules elementals (partícules que no estan formades per partícules més petites ni es coneix que tinguin una estructura interna) que sorgeixen dels processos nuclears i que resulten molt difícils de detectar des de la Terra, ja que no tenen càrrega elèctrica, la seva massa és diminuta i amb prou feines interaccionen amb la matèria ordinària: no es veuen afectats per la força electromagnètica, ni per la nuclear forta, però sí per la nuclear feble i la gravitatòria. Això no obstant, quan es detecten, poden ser una gran font d'informació sobre l'univers.

Aquesta partícula la va predir Wolfgang Pauli el 1930, però dubtava que pogués ser possible detectar-los. Va ser el 1956 quan Clyde Cowan i Frederick Reines van demostrar experimentalment la seva existència.

"Els neutrins són missatgers còsmics especials, ens proporcionen informació única sobre els mecanismes involucrats en els fenòmens més energètics i ens permeten explorar els confins més llunyans de l'univers", explica a la web del CSIC Rosa Coniglione, portaveu adjunta de KM3NeT en el moment de la detecció i investigadora a l'Institut Nacional de Física Nuclear (INFN) d'Itàlia.

Així, la troballa obre noves possibilitats per a l'estudi de l'univers. En lloc de basar-se en fotons, com l'astronomia clàssica, mesura altres missatgers, com neutrins o raigs còsmics”, explica PierNext Sara Rebecca Gozzini, membre de la col·laboració KM3NeT i investigadora distingida CIDEGENT (Pla GenT) a l'Institut de Física Corpuscular (IFIC) de València (CSIC-UV).

"Aquesta física d'astropartícules intenta fer el mateix que l'astronomia clàssica, és a dir, buscar la font que ha generat el missatger o des de la qual s'han accelerat les partícules. Amb aquest neutrí, intentem trobar la font on s'ha accelerat la partícula mateixa", explica Gozzini.

“El fet que tingui una energia tan alta és excepcional i pot significar que aquest neutrí s'originés fora de la galàxia, de la Via Làctia. Queda oberta la pregunta sobre el seu origen i la seva acceleració, i saber quin va ser l'objecte tan poderós capaç de poder accelerar una partícula fins a 220.000 bilions d'electrovolts”, afegeix la investigadora de l'IFIC.

La importància dels oceans per detectar neutrins

Tot i que són la segona partícula elemental més abundant de l'univers, els neutrins són molt difícils de detectar. Per això, són necessaris detectors enormes, molt complexos i ubicats en llocs molt específics, com per exemple al mig del mar o al gel d'una glacera antàrtica.

"Per detectar un neutrí no hi pot haver llum solar directa o contaminació lumínica. Per això, els instruments són al més profund de l'oceà, a la part que roman completament fosca". A més, és fonamental que es trobin al mig d'almenys un quilòmetre cúbic d'un element transparent. Si tenim en compte aquestes característiques, aquests telescopis només poden estar al gel d'una glacera antàrtica o a les aigües del mar”, explica Gozzini.

El telescopi de neutrins KM3NeT és una gran infraestructura que utilitza l'aigua del mar com a mitjà d'interacció per detectar els neutrins. Aquesta infraestructura està formada per dos conjunts de detectors de sensors òptics: ARCA, el que va detectar el missatger còsmic el 2023, i ORCA. Tot i que tots dos ja estan operatius, segueixen en desenvolupament.

El detector ARCA està ubicat davant de la costa de Portopalo di Capo Passero, a Sicília (Itàlia), a una profunditat d'aproximadament 3.450 metres i connectat a l'estació costanera de l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) mitjançant un cable electroòptic. El detector ORCA, per altra banda, s'ubica a uns 2.450 metres de profunditat a la costa de Toulon (França) i està optimitzat per estudiar les oscil·lacions de neutrins.

Per fer realitat un projecte d‟aquestes característiques és fonamental la col·laboració internacional. A KM3NeT hi participen grups científics de tot el món, entre ells diversos espanyols, com l'Institut de Física Corpuscular (IFIC) del centre mixt del Consell Superior d'Investigacions Científiques (CSIC). "Un projecte com aquest només és possible gràcies a la col·laboració d'universitats i centres de recerca, cal el suport de molts països. En aquest cas, parlem de 21 països i 68 instituts o centres de recerca, gairebé tots europeus", assenyala Gozzini.

Entendre els oceans: un altre gran objectiu del KM3NeT

La constatació que aquest neutrí detectat pel telescopi KM3NeT ha posat de manifest la importància de la ciència que envolta els oceans per entendre el funcionament de l'univers. Però, a més, la mateixa tecnologia d'aquest telescopi també es destina a estudiar què passa al fons del Mediterrani.

"És un telescopi que s'orienta a la ciència marina de diverses maneres. Les càmeres ens permeten mesurar quin és el coeficient d'absorció de l'aigua, cosa que ens dóna informació sobre les seves característiques òptiques, i fer un monitoratge continu de paràmetres com a temperatures, direcció i força dels corrents", explica Gozzini.

El sistema compta a més amb un sonar que permet registrar el trànsit de grans cetacis, cosa que contribueix a les investigacions sobre les seves migracions ia entendre millor com els estan afectant problemes com el del trànsit de vaixells, l'augment de la temperatura de l'aigua o els canvis als ecosistemes.

“A més, amb la tecnologia del KM3NeT podem mesurar també el soroll antropogènic a les profunditats i fins i tot la llum que generen els animals bioluminiscents, per contribuir al seu estudi”, assenyala Gozzini. "Podríem dir que els oceans ens permeten estudiar el funcionament de l'univers i, alhora, la tecnologia que ho fa possible ens ajuda a entendre millor què passa al fons del mar".

De fet, i tal com expliquen des del web del projecte KM3NeT, la construcció d'infraestructures submarines per ubicar telescopis de neutrins ha donat lloc a millores en el desenvolupament de tecnologia per estudiar-ne les profunditats.

Aquestes infraestructures estan connectades de forma permanent amb laboratoris a terra, per la qual cosa s'han convertit en llocs òptims on instal·lar nodes, detectors i altres instruments científics. Entitats científiques, com l'European Multidisciplinary Seafloor and water column Observatory (EMSO), aprofiten des de fa anys la infraestructura que KM3NeT té al llit marí.

Així doncs, curiosament, un dels llocs més estratègics per entendre els misteris de l'univers és el fons del mar.