Investigadora del Institut de Física Corpuscular y parte de KM3NeT, la colaboración responsable de este descubrimiento, explica la importancia de esta observación y cómo, desde las profundidades del Mediterráneo, podemos desvelar los misterios más ocultos de nuestro universo

El pasado 12 de febrero de 2025, el telescopio de neutrinos KM3NeT anunció un hallazgo sin precedentes: la detección del neutrino cósmico más energético observado hasta ahora. Se estima que su energía era de 220 petaelectronvoltios (PeV). Esta energía es equivalente a la de una pelota de ping-pong moviéndose a unos 18 km/h, pero concentrada en una partícula subatómica.

KM3NeT está instalado en las profundidades del mar Mediterráneo. Consta de dos detectores: ARCA, optimizado para captar neutrinos cósmicos de alta energía y ORCA, orientado al estudio de neutrinos de baja energía originados en la atmósfera. Ambos están formados por miles de esferas que alojan sensores extremadamente sensibles, capaces de detectar el tenue destello de luz azul producido por un neutrino interactuando con el agua de mar o las rocas. Estas esferas están suspendidas en gigantescas estructuras verticales que se alzan desde el lecho marino. Conectadas a través de cables submarinos, transmiten las señales hasta estaciones costeras donde se reconstruyen y analizan las trayectorias de las partículas detectadas.

Reconstrucción animada del evento de neutrino de ultra alta energía observado por KM3NeT. La trayectoria de la partícula se muestra como una línea de derecha a izquierda. El cono azulado representa la luz producida por la partícula en su camino. Los destellos de luz indican la detección de esta luz por parte de los sensores del telescopio. Crédito: KM3NeT.

España forma parte de esta colaboración científica internacional a través, entre otros, del Institut de Física Corpuscular (IFIC), un centro mixto del CSIC y la Universitat de València. Allí trabaja la Doctora Rebecca Gozzini, investigadora distinguida del programa GenT de la Generalitat Valenciana y miembro del grupo VEGA (Valencia Experimental Group of Astroparticles). Su trabajo se centra en la búsqueda de materia oscura y en el estudio de fenómenos que no encajan dentro del modelo estándar de la física de partículas, la teoría que describe las partículas fundamentales conocidas y sus interacciones. Gozzini se unió a las colaboraciones ANTARES —precursora de KM3NeT— y KM3NeT en 2017. Desde entonces, ha liderado investigaciones pioneras, como la búsqueda de señales de materia oscura en el centro de la galaxia y estudios conjuntos con el telescopio IceCube —un observatorio de neutrinos instalado en el hielo antártico—. Actualmente, coordina el grupo de trabajo sobre materia oscura y física exótica en KM3NeT.

Durante siglos, la astronomía se ha basado en la observación de la luz emitida o reflejada por los cuerpos celestes. La llegada de telescopios como KM3NeT adentra a la astronomía en una nueva era de la exploración del cosmos, abriendo una ventana hacia los confines más oscuros y energéticos del universo, desvelando misterios que hasta ahora permanecían ocultos.

Empezando por lo básico, ¿por qué son interesantes los neutrinos cósmicos, en particular los de altas energías?
Desde hace algunas décadas, se realiza lo que se llama astrofísica de neutrinos. Esto significa que, para explorar el universo no sólo observamos la luz que llega del espacio. También analizamos otras señales, como los rayos cósmicos —partículas subatómicas que vienen del espacio exterior— y los neutrinos.

La astrofísica y astronomía centradas en el estudio de la luz se enfrentan a la dificultad de que los fotones —partículas de luz— pueden, en su camino a la Tierra, interactuar con polvo cósmico o, incluso, otros fotones. Esto provoca una pérdida de energía del fotón, lo que limita la capacidad de extraer información sobre su origen. 

En cambio, los neutrinos interactúan muy poco con la materia, con lo cual pueden viajar desde distancias muy lejanas, manteniendo su dirección y preservando intacta toda la información de su origen. El desafío es que los neutrinos interactúan muy débilmente, incluso con el detector mismo. 

En cuanto a la energía, al buscar neutrinos siempre encontramos algunos que vienen de la atmósfera terrestre. Son inevitables, pero sabemos muy bien cuántos de ellos esperar a distintas energías. A energías muy altas, simplemente no se espera que aparezcan neutrinos atmosféricos. Por eso, si detectamos un neutrino de energía muy alta, es seguro que su origen es cósmico, ya sea de nuestra galaxia o más allá.

«Si detectamos un neutrino de energía muy alta, es seguro que su origen es cósmico»

¿Cuál es ese origen cósmico de los neutrinos? ¿Se sabe cómo y dónde se producen?
Las fuentes de neutrinos se han comenzado a medir muy recientemente. De hecho, la primera fuente de neutrinos de muy alta energía fue identificada en 2017, por lo que hablamos de una disciplina muy nueva. Estas fuentes deben ser objetos astrofísicos capaces de acelerar partículas pesadas, como protones o núcleos, a energías extremadamente altas. Un ejemplo son los Núcleos Galácticos Activos (AGN, por sus siglas en inglés), objetos alimentados por el material que cae dentro de un agujero negro en el centro de una galaxia. Los AGN emiten “chorros” compuestos por fotones y otras partículas que pueden interactuar entre sí dando lugar a la producción de neutrinos.

También existe la hipótesis de los neutrinos de origen cosmogénico, es decir, que provienen de la interacción de rayos cósmicos con los fotones del Fondo Cósmico de Microondas —la luz más antigua observable en el universo—. Estos fotones son de energía muy baja, pero están presentes en todo el universo. Un rayo cósmico, como un protón acelerado, puede interactuar con estos fotones, desencadenando un proceso que culmina en la producción de neutrinos.

Entrando más en la parte experimental: generalmente, las partículas subatómicas se detectan porque, al atravesar un sensor, interactúan con la materia en él generando una corriente eléctrica que podemos medir. Si los neutrinos apenas interactúan con nada, ¿cómo los detecta KM3NeT?
Exactamente de la misma manera que otras partículas subatómicas, pero con una diferencia importante: la masa del detector debe ser gigantesca. En este caso, ¡todo el planeta! Lo que hacemos es colocar el detector en un medio natural transparente, ya que construir un volumen tan grande como un kilómetro cúbico sería imposible. En el caso de KM3NeT este medio es el mar Mediterráneo.

«Para detectar neutrinos, la masa del detector debe ser gigantesca. En este caso, ¡todo el planeta!»

De esta manera, el neutrino interactúa con un núcleo atómico, que puede ser de la roca, agua o cualquier otro material que forme parte del detector. El neutrino “golpea” este núcleo y, como resultado de la interacción, se crea una partícula cargada con una velocidad mayor a la de la luz en el agua, que es la que podemos detectar.

¿Cómo es eso de que la partícula cargada viaja más rápido que la luz en el agua?
La velocidad de la luz disminuye cuando la luz pasa a través de un medio. Por ejemplo, en el agua es más lenta que en el vacío, donde tiene su valor máximo. Cuando una partícula cargada cruza este umbral de velocidad  —siempre dentro de un medio, esto es imposible en el vacío—, se produce un fenómeno conocido como efecto Cherenkov. Lo que sucede es que la partícula cargada empieza a emitir luz, fotones, debido a un proceso de ionización del agua. Al ser fotones (luz), se mueven más lento que la partícula. Como resultado, los fotones forman una especie de cono alrededor de la partícula, algo similar a lo que sucede cuando un objeto rompe la barrera del sonido. Esta luz es lo que nos da la señal eléctrica que podemos medir con sensores sumergidos en el mar.

¿Qué condiciones necesitan esos sensores para poder detectar correctamente esa luz?
Es fundamental que los detectores se ubiquen en una zona completamente oscura para que no haya luz natural que pueda distorsionar las mediciones. Para lograrlo, se instalan a profundidades que alcanzan hasta 3,5 km bajo la superficie del mar, donde la oscuridad es total. Aunque existen otras fuentes de luz, como la bioluminiscencia marina y la radiación del potasio-40 presente en la sal del agua, pero estas pueden modelarse y eliminarse del análisis.

Adentrándonos ahora en el anuncio de la colaboración KM3NeT sobre la detección de un neutrino de ultra alta energía, ¿a qué se debe que esa observación sea tan especial?
Fue una observación inesperada, en el buen sentido. El detector aún no está completo, por lo que no se esperaba tener la suerte de registrar un evento de este tipo tan pronto. Sin embargo, como el detector es modular, puede empezar a recopilar datos mientras se siguen instalando nuevas partes. 

Lo que hace especialmente interesante a este neutrino es su energía extremadamente alta, estimada en 220 PeV. A energías tan elevadas la Tierra se vuelve opaca para los neutrinos, ya que la probabilidad de que interactúen con la materia aumenta. Sin embargo, este neutrino llegó con una trayectoria casi horizontal, atravesando una cantidad de roca y agua que fue suficiente como para bloquear otras partículas provenientes de la atmósfera, pero no tanta como para detener al propio neutrino. Esto nos permitió concluir con certeza que no solo se trataba de un neutrino, sino que este era el más energético jamás detectado y también la partícula elemental más energética jamás medida.

¿Qué sabemos de momento sobre el origen de este neutrino sin precedentes?
Una vez detectado, se intentó identificar su origen. Se investigó si podía asociarse con algún objeto astronómico conocido, pero no se encontró ninguna correlación concluyente. Se analizaron 17 blázares —un tipo de AGN— seleccionados en función de sus características astrofísicas y su posición en el cielo. Sin embargo, no se alcanzó el nivel de certeza estadística necesario para confirmar que alguno de ellos fuera el origen del neutrino.

Debido a esta falta de una fuente identificada, se exploró la posibilidad de que el neutrino tuviera un origen cosmogénico, es decir, que provenga de interacciones de rayos cósmicos con el fondo cósmico de microondas. No obstante, este análisis aún no es concluyente.

También se consideró la hipótesis de que el neutrino tuviera un origen dentro de nuestra galaxia, pero esta opción es altamente improbable. Su energía es demasiado alta para que haya quedado atrapado en la Vía Láctea y, además, no se detectó ninguna estructura en la región de su llegada que pudiera haberlo generado, como restos de supernovas o nubes moleculares.

Por ahora, la hipótesis más plausible es que su origen sea extragaláctico, aunque sin una fuente específica identificada en su dirección.

¿Podría ser que la fuente de este neutrino no sea ninguna de las que ya conocemos? Es decir, que exista otro tipo de fuente de neutrinos de alta energía que nuestros modelos actuales no contemplan.
Esta es una posibilidad que también estamos investigando: en lugar de que el neutrino adquiera su energía a través de un proceso de aceleración astrofísica —como ocurre en los AGNs o en explosiones estelares—, podría haber surgido de la desintegración de una partícula desconocida extremadamente masiva. Por ejemplo, de materia oscura superpesada. Esta sería una hipótesis alternativa al origen convencionalmente esperado para neutrinos de tan alta energía.

¿Es posible que se detecten otros neutrinos con esta energía o incluso más energéticos?
Sí, es posible medir más neutrinos de esta o de mayor energía, pero son descubrimientos fortuitos que no se pueden predecir. Nosotros trabajamos siempre con simulaciones y si te basas en esas simulaciones, este evento es realmente excepcional. Si lo comparas con el resto de neutrinos que hemos registrado en este tiempo, este claramente se sale de la media.

Aun así, existen modelos que predicen la existencia de neutrinos cosmogénicos con energías incluso mayores, de hasta 1000 PeV o más. Por otro lado, existen fuentes de neutrinos que no son estables en el tiempo. Estas, junto con ciertos otros fenómenos astrofísicos, son fenómenos extremadamente raros e impredecibles para los que hay que estar siempre listos y observando.

«Son fenómenos extremadamente raros e impredecibles para los que hay que estar siempre listos y observando»

Poniendo ahora la vista en el futuro, ¿cuáles son los próximos pasos para el telescopio KM3NeT?
Gracias a que los detectores son modulares, el telescopio ya está operativo mientras sigue expandiéndose. Una vez completo, el telescopio verá aumentado su volumen eficaz, lo que implica una mayor capacidad de detectar eventos, lo cual es fundamental para mejorar la precisión de las medidas.

Otro de los próximos pasos importantes para KM3NeT es avanzar en el desarrollo de alertas multimensajero. Estas alertas forman parte de una red global de colaboración entre distintos observatorios —incluidos telescopios ópticos, de rayos gamma, rayos X, radiotelescopios, detectores de ondas gravitacionales y detectores de neutrinos— que comparten información en tiempo real sobre eventos astrofísicos excepcionales. El objetivo es que, cuando uno de estos instrumentos detecta algo interesante, los demás puedan reaccionar rápidamente y observar ese mismo suceso astrofísico. Actualmente, KM3NeT ya recibe alertas de otros experimentos y está en proceso de implementar un sistema para poder enviar sus propias alertas. Esto se está desarrollando, en parte, en el grupo de investigación VEGA del IFIC. Aunque KM3NeT no puede «apuntar» a una zona del cielo como lo haría un telescopio convencional —porque sus sensores están fijos en el fondo marino—, su capacidad para detectar eventos inusuales y compartir esa información en tiempo real con el resto de la comunidad científica será clave para seguir construyendo una imagen más completa del universo.

Además de explorar el cosmos, ¿qué otros objetivos tiene KM3NeT?
KM3NeT también tiene otra función importante a través de su detector llamado ORCA, diseñado para detectar neutrinos atmosféricos y estudiar un fenómeno conocido como oscilación de neutrinos, un proceso que ya ha logrado detectar con un nivel de certeza altísimo. ORCA tiene un gran potencial para estudiar las propiedades de los neutrinos, ya que la enorme cantidad de datos obtenidos permiten medir una gran variedad de efectos, lo que abre la puerta a nuevos descubrimientos sobre estas partículas.

«El futuro de KM3NeT es muy prometedor y abarca un amplio rango de investigaciones científicas»

En definitiva, KM3NeT no solo es y será un telescopio para la observación del cosmos, sino también un instrumento clave para estudiar las propiedades fundamentales de los neutrinos. Su futuro es muy prometedor y abarca un amplio rango de investigaciones científicas.