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KM3NeT detectó neutrino cósmico récord de 220 PeV en el Mediterráneo, energía 16 mil veces mayor que la del LHC, usando detector submarino a 3.500 metros.
Según el KM3NeT, el 13 de febrero de 2023, el detector ARCA registró un evento extraordinario en el fondo del Mar Mediterráneo: un neutrino cósmico con energía estimada de 220 PeV, o 220 millones de billones de electrón-voltios. El evento, llamado KM3-230213A, fue publicado en la revista Nature en febrero de 2025 tras dos años de análisis. El neutrino viajó casi horizontalmente por aproximadamente 140 km a través de roca y agua antes de interactuar con el Mediterráneo y encender más de un tercio de los fotomultiplicadores del detector. La firma fue clara, brillante y compatible con origen cósmico.
El KM3NeT es una infraestructura europea formada por dos detectores en el fondo del Mediterráneo: el ARCA, instalado frente a Sicilia, a 3.500 metros de profundidad, y el ORCA, instalado a 40 km de la costa de Toulon, en Francia, a 2.450 metros.
KM3NeT detectó el neutrino más energético jamás observado en el Mediterráneo
El evento KM3-230213A es considerado el neutrino más energético jamás observado. El dato impresiona aún más porque fue detectado cuando solo una fracción del detector final estaba en operación.
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La energía de 220 PeV coloca a este neutrino muy por encima de las escalas producidas por máquinas humanas. Para comparación, el LHC, en Ginebra, colisiona protones a 13,6 TeV, mientras que el neutrino detectado por el KM3NeT tenía energía cerca de 16 mil veces mayor.
Esta diferencia muestra que algún proceso cósmico natural fue capaz de acelerar partículas a niveles muy más allá de la tecnología humana actual. La fuente puede estar ligada a agujeros negros supermasivos, galaxias activas, magnetares u otros fenómenos extremos del universo.
Neutrinos cósmicos atraviesan planetas, estrellas y galaxias casi sin interactuar
Los neutrinos son algunas de las partículas más difíciles de detectar en el universo. Tienen masa casi cero, no tienen carga eléctrica y raramente interactúan con la materia.
Cada segundo, trillones de neutrinos solares atraviesan cada centímetro cuadrado del cuerpo humano sin producir ningún efecto perceptible. La mayoría atraviesa toda la Tierra como si el planeta fuera casi transparente.
Esta característica hace que los neutrinos sean extremadamente difíciles de capturar. Para detectar pocos eventos por año, es necesario transformar volúmenes gigantescos de agua, hielo u otro medio transparente en detectores de partículas.
Detector submarino necesita tener escala gigantesca porque los neutrinos casi nunca colisionan
Un neutrino de energía común necesitaría atravesar una cantidad inmensa de materia para tener una probabilidad razonable de interactuar con un átomo. Por eso, detectores como el KM3NeT necesitan usar el propio mar como parte del instrumento científico.
Cuando un neutrino de altísima energía finalmente interactúa con un núcleo atómico en el agua, produce una cascada de partículas secundarias. Estas partículas generan un destello de luz azul llamado radiación Cherenkov.
Esta luz dura fracciones de nanosegundo, pero puede ser captada por sensores extremadamente sensibles. El KM3NeT fue construido para registrar este pequeño destello en medio de la oscuridad absoluta del fondo del Mediterráneo.
Radiación Cherenkov funciona como un estruendo sónico dentro del agua
La radiación Cherenkov ocurre cuando partículas cargadas atraviesan el agua más rápido de lo que la luz puede propagarse en ese medio. Esto no viola la velocidad de la luz en el vacío, pero crea un efecto similar al estruendo sónico de un avión supersónico.
En el caso del KM3NeT, este efecto aparece como una emisión azulada. Los fotomultiplicadores registran la llegada de los fotones con precisión de nanosegundos.
Comparando el tiempo de llegada de la luz en diferentes sensores, los físicos pueden reconstruir la trayectoria de la partícula secundaria. A partir de esto, infieren la dirección original del neutrino cósmico.
ARCA y ORCA estudian preguntas diferentes sobre neutrinos y el universo
El KM3NeT está formado por dos detectores independientes. El ARCA, sigla de Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss, se encuentra frente a Portopalo di Capo Passero, en Sicilia, y fue diseñado para detectar neutrinos cósmicos de alta energía.
El ORCA, sigla de Oscillation Research with Cosmics in the Abyss, se encuentra cerca de Toulon, en Francia, y tiene otro objetivo: estudiar propiedades fundamentales de los neutrinos atmosféricos producidos por la interacción de rayos cósmicos con la atmósfera de la Tierra.
La diferencia entre los dos está en la geometría. El ARCA cubre un volumen mayor para capturar eventos raros y energéticos, mientras que el ORCA usa sensores más cercanos para medir neutrinos menos energéticos con mayor precisión.
ARCA tendrá 128 mil fotomultiplicadores para observar neutrinos de alta energía
En la configuración final, el ARCA tendrá 230 cuerdas verticales, cada una con 18 módulos ópticos digitales. Cada módulo contiene 31 fotomultiplicadores, tubos capaces de convertir un solo fotón en señal eléctrica amplificada miles de millones de veces.
Esto resulta en 128.340 fotomultiplicadores solo en el ARCA. Estarán distribuidos en el fondo del mar, formando una red tridimensional de sensores orientados a la detección de destellos Cherenkov.
El espaciado entre las cuerdas del ARCA es de 95 metros, con módulos separados por 36 metros. Esta arquitectura fue pensada para neutrinos cósmicos de altísima energía, que producen señales lo suficientemente brillantes como para ser detectadas a grandes distancias.
ORCA medirá oscilaciones de neutrinos e investigará la jerarquía de masa
El ORCA tiene geometría más densa, con cuerdas espaciadas por solo 20 metros. Su objetivo es medir neutrinos atmosféricos de energía mucho menor, en el rango de GeV, que generan señales más débiles.
Este detector estudia la oscilación de los neutrinos, fenómeno en el cual los tres tipos conocidos de estas partículas se transforman unos en otros mientras viajan. La forma en que ocurre esta oscilación puede revelar la jerarquía de masa de los neutrinos.
Esta es una pregunta fundamental de la física de partículas. El Modelo Estándar describe los neutrinos, pero no explica completamente sus masas ni el orden exacto entre ellas.
KM3NeT tendrá 200 mil ojos electrónicos en el fondo del Mar Mediterráneo
Cuando esté completo, el KM3NeT instrumentará más de un kilómetro cúbico de agua mediterránea con cerca de 200 mil fotomultiplicadores, distribuidos en 345 cuerdas verticales.
Cada cuerda está anclada en el fondo del mar y mantenida extendida por esferas de vidrio flotantes en la parte superior. En el ARCA, las cuerdas tienen 800 metros de longitud; en el ORCA, 400 metros.
El ambiente es extremo: presión de cientos de atmósferas, oscuridad absoluta, temperatura constante y mantenimiento posible solo con barcos y vehículos operados remotamente. Aun así, es precisamente este aislamiento lo que hace que el fondo del mar sea ideal para cazar destellos rarísimos de neutrinos.
Neutrino KM3-230213A atravesó 140 km de roca antes de interactuar
El neutrino detectado en febrero de 2023 no vino de arriba, sino casi en horizontal. Atravesó cerca de 140 km de roca y agua antes de interactuar cerca del detector ARCA.
Esta trayectoria es científicamente importante. Neutrinos de energía extrema pueden ser absorbidos si atraviesan distancias demasiado grandes dentro de la Tierra, porque la probabilidad de interacción aumenta con la energía.
El ángulo casi horizontal creó una condición rara: material suficiente para favorecer la detección, pero no tanto como para absorber completamente la partícula. La dirección de llegada ahora ayuda a los científicos a buscar la fuente cósmica responsable del evento.
Energía del neutrino superó en 16 mil veces la escala del mayor acelerador humano
El neutrino KM3-230213A tenía una energía estimada de 220 PeV. Esta escala es difícil de imaginar, pero la comparación con el LHC ayuda a dimensionar el fenómeno.
El mayor acelerador de partículas del mundo trabaja en el rango de teraelectrón-voltios, mientras que este neutrino llegó al detector con energía en el rango de petaelectrón-voltios. La diferencia es de varias órdenes de magnitud.
Esto significa que el universo produce aceleradores naturales mucho más extremos que cualquier máquina humana. El KM3NeT no creó esta partícula; solo registró el paso de una mensajera cósmica proveniente de alguno de los ambientes más violentos del cosmos.
Fondo del Mediterráneo se convierte en laboratorio para astronomía de neutrinos
La elección del Mediterráneo profundo no fue casual. La oscuridad absoluta reduce la interferencia luminosa, el agua tiene transparencia adecuada para la propagación de la luz azul, y la estabilidad térmica ayuda a mantener los sensores operando con precisión.
Cada cuerda de detección está conectada a unidades de unión en el fondo del mar por cables electro-ópticos. Estos cables llevan energía a los módulos y transmiten datos en tiempo real a laboratorios en tierra.
En el ARCA, los datos se envían al laboratorio del INFN en Catania, en Sicilia. En el ORCA, van a La Seyne-sur-Mer, cerca de Toulon. Millones de señales son filtradas para separar ruido bioluminiscente, rayos cósmicos y eventos raros de neutrinos.
KM3NeT e IceCube pueden formar una red global de neutrinos
Con el detector completo, el KM3NeT tendrá sensibilidad para confirmar o refutar fuentes candidatas de neutrinos cósmicos identificadas por otros observatorios, como el IceCube, instalado en el hielo del Polo Sur.
Esta complementariedad es esencial. El IceCube observa el cielo desde el hemisferio sur, mientras que el KM3NeT, en el Mediterráneo, ofrece otra perspectiva de detección y reconstrucción de trayectorias.
Juntos, estos detectores pueden formar una red global de astronomía de neutrinos. Por primera vez, los científicos podrán triangular mejor el origen de las partículas más energéticas del universo, usando no luz, sino mensajeros casi invisibles que atraviesan galaxias enteras.
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