Cazando neutrinos en el fondo del Mediterráneo

Una ventana para estudiar el universo en el fondo del mar

El 13 de febrero de 2023 el telescopio submarino de neutrinos KM3NeT detectó un evento extraordinario, asociado a un neutrino al que se le estimaba una energía de 220.000 billones de electronvoltios. Es decir, 10.000 veces más que las partículas que produce el mayor acelerador de partículas del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN).

Tras un intenso trabajo, los científicos de KM3Net lograron demostrar que se trataba del neutrino más energético observado por el ser humano. Y prácticamente dos años después, el 12 de febrero de 2025, la revista Nature le dedicaba su portada. Y es que el hallazgo es especialmente relevante porque proporciona la primera evidencia de que neutrinos de energías tan altas se producen en el universo, tal y como nos explican desde el CSIC. 

• Los neutrinos son partículas elementales (partículas que no están formadas por partículas más pequeñas ni se conoce que tengan una estructura interna) que surgen de los procesos nucleares y que resultan muy difíciles de detectar desde la Tierra, puesto que carecen de carga eléctrica, su masa es diminuta y apenas interaccionan con la materia ordinaria: no se ven afectados por la fuerza electromagnética, ni por la nuclear fuerte, pero sí por la nuclear débil y la gravitatoria. No obstante, cuando se detectan, pueden ser una gran fuente de información sobre el universo. 

Esta partícula la predijo Wolfgang Pauli en 1930, pero dudaba que pudiera ser posible detectarlos. Fue en 1956 cuando Clyde Cowan y Frederick Reines demostraron experimentalmente su existencia.

“Los neutrinos son mensajeros cósmicos especiales, nos proporcionan información única sobre los mecanismos involucrados en los fenómenos más energéticos y nos permiten explorar los confines más lejanos del universo”, explica en la web del CSIC Rosa Coniglione, portavoz adjunta de KM3NeT en el momento de la detección e investigadora en el Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN) de Italia.

De este modo, el hallazgo abre nuevas posibilidades para el estudio del universo. “Contamos con una disciplina nueva que es la física de astropartículas. En lugar de basarse en fotones, como la astronomía clásica, mide otros mensajeros, como neutrinos o rayos cósmicos”, explica a PierNext Sara Rebecca Gozzini, miembro de la colaboración KM3NeT e investigadora distinguida CIDEGENT (Plan GenT) en el Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y de la Universitat de València (CSIC-UV).

“Esta física de astropartículas intenta hacer lo mismo que la astronomía clásica, es decir, buscar la fuente que ha generado el mensajero o desde la que se han acelerado las partículas. Con este neutrino, intentamos encontrar la fuente en la que se ha acelerado la partícula misma”, explica Gozzini. 

“El hecho de que tenga una energía tan alta es excepcional y puede significar que este neutrino se originase fuera de la galaxia, de la Vía Láctea. Queda abierta la pregunta sobre su origen y su aceleración, y saber cuál fue el objeto tan poderoso capaz poder acelerar una partícula hasta 220.000 billones de electronvoltios”, añade la investigadora del IFIC. 

La importancia de los océanos para detectar neutrinos

Aunque son la segunda partícula elemental más abundante del universo, los neutrinos son muy difíciles de detectar. Por ello, son necesarios detectores enormes, muy complejos y ubicados en lugares muy específicos, como por ejemplo en medio del mar o en el hielo de un glaciar antártico. 

“Para detectar un neutrino no puede haber luz solar directa o contaminación lumínica. Por eso, los instrumentos están en lo más profundo del océano, en la parte que permanece completamente oscura. Además, es fundamental que se encuentren en medio de al menos un kilómetro cúbico de un elemento transparente. Si tenemos en cuenta estas características, estos telescopios solo pueden estar en el hielo de un glaciar antártico o en las aguas del mar”, explica Gozzini.

El telescopio de neutrinos KM3NeT es una gran infraestructura que utiliza el agua del mar como medio de interacción para detectar los neutrinos. Esta infraestructura está formada por dos conjuntos de detectores de sensores ópticos: ARCA, el que detectó el mensajero cósmico en 2023, y ORCA. Aunque ambos están ya operativos, siguen en desarrollo. 

El detector ARCA está ubicado frente a la costa de Portopalo di Capo Passero, en Sicilia (Italia), a una profundidad de aproximadamente 3.450 metros y conectado a la estación costera del Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) mediante un cable electroóptico. El detector ORCA, por otro lado, se ubica a unos 2.450 metros de profundidad en la costa de Toulon (Francia) y está optimizado para el estudio de las oscilaciones de neutrinos. 

Para hacer realidad un proyecto de estas características es fundamental la colaboración internacional. En KM3NeT participan grupos científicos de todo el mundo, entre ellos varios españoles, como el Instituto de Física Corpuscular (IFIC) del centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). “Un proyecto como este solo es posible gracias a la colaboración de universidades y centros de investigación, se necesita el apoyo de muchos países. En este caso, hablamos de 21 países y 68 institutos o centros de investigación, casi todos europeos”, señala Gozzini. 

Entender los océanos: otro gran objetivo del KM3NeT

La constatación de que este neutrino detectado por el telescopio KM3NeT ha puesto de manifiesto la importancia de la ciencia que rodea los océanos para entender el funcionamiento del universo. Pero, además, la propia tecnología de este telescopio se destina también a estudiar qué sucede en el fondo del Mediterráneo. 

“Es un telescopio que se orienta a la ciencia marina de varias maneras. Las cámaras nos permiten medir cuál es el coeficiente de absorción del agua, lo que nos da información sobre sus características ópticas, y hacer un monitoreo continuo de parámetros como temperaturas, dirección y fuerza de las corrientes”, explica Gozzini.

El sistema cuenta además con un sónar que permite registrar el tránsito de grandes cetáceos, lo cual contribuye a las investigaciones sobre sus migraciones y a entender mejor cómo les están afectando problemas como el del tráfico de buques, el aumento de la temperatura del agua o los cambios en los ecosistemas.

“Además, con la tecnología del KM3NeT podemos medir también el ruido antropogénico en las profundidades y hasta la luz que generan los animales bioluminiscentes, para contribuir a su estudio”, señala Gozzini. “Podríamos decir que los océanos nos permiten estudiar el funcionamiento del universo y, a la vez, la tecnología que lo hace posible nos ayuda a entender mejor qué sucede en el fondo del mar”. 

De hecho, y tal como explican desde la web del proyecto KM3NeT, la construcción de infraestructuras submarinas para ubicar telescopios de neutrinos ha dado lugar a mejoras en el desarrollo de tecnología para estudiar las profundidades.

Estas infraestructuras están conectadas de forma permanente con laboratorios en tierra, por lo que se han convertido en lugares óptimos en donde instalar nodos, detectores y otros instrumentos científicos. Entidades científicas, como el European Multidisciplinary Seafloor and water column Observatory (EMSO), aprovechan desde hace años la infraestructura que KM3NeT tiene en el lecho marino. 

Así que, curiosamente, uno de los lugares más estratégicos para entender los misterios del universo es el fondo del mar. Una sorpresa más de los océanos.