KM3NeT observa un neutrino con energía mediana de 220 PeV
Los neutrinos cosmogénicos (o neutrinos GZK) son producto de la interacción de un rayo cósmico (protón) con energía en la exaescala (EeV) contra un fotón del fondo cósmico de microondas, […] La entrada KM3NeT observa un neutrino con energía mediana de 220 PeV fue escrita en La Ciencia de la Mula Francis.
Los neutrinos cosmogénicos (o neutrinos GZK) son producto de la interacción de un rayo cósmico (protón) con energía en la exaescala (EeV) contra un fotón del fondo cósmico de microondas, dando lugar a neutrinos con energías en la petaescala (PeV). IceCube no ha observado ningún neutrino cosmogénico (que se sepa). Se publica en Nature que el telescopio de neutrinos KM3NeT ha observado un muón con una energía mediana de 120 PeV cuyo origen sería un neutrino muónico con una energía mediana de 220 PeV, que podría ser el primer neutrino cosmogénico detectado (llamado KM3-230213A). Esta hipótesis se apoya en que no se ha podido identificar la fuente astrofísica para dicho neutrino (en el cono de incertidumbre para su ángulo de incidencia, de 1.5 ° al 68 % CL, se encuentran 12 posibles fuentes que se han descartado por la ultraalta energía de este neutrino). Futuras mejoras en la calibración de KM3NeT podrían permitir un reanálisis de KM3-230213A que reduzca la incertidumbre angular, lo que incrementará la significación estadística del origen cosmogénico. También lo hará el descubrimiento de muchos neutrinos cosmogénicos cuando la construcción de KM3NeT esté completada. Recuerda que un único neutrino de un nuevo tipo es un indicio pobre y siempre se necesita una buena estadística de sucesos de dicho tipo para confirmarlo.
KM3-230213A es candidato al neutrino más energético observado hasta el momento. IceCube ha observado neutrinos con energías hasta ∼10 PeV (∼1016 eV), permitiendo localizar la fuente de casi el 15 % de los neutrinos observados (muchos de nuestra propia galaxia y otros de galaxias jóvenes con formación estelar). El telescopio de neutrinos KM3NeT (Kilometre Cube Neutrino Telescope) está en construcción en las profundidades del mar Mediterráneo. Estará formado por 345 líneas verticales con 18 módulos ópticos esféricos, cada uno con 31 fotomultiplicadores en todas direcciones (cubriendo 4π estereorradianes). Dispondrá de dos detectores llamados ARCA, con 230 líneas verticales a 3450 metros de profundidad cerca de la costa de Portopalo di Capo Passero en Sicilia, y ORCA, con 115 líneas verticales a 2450 metros de profundidad cerca de la costa de Toulon, Francia. ORCA estudiará la oscilación de neutrinos y ARCA estudiará neutrinos ultraenergéticos (UHE). Se espera que ARCA logre una buena estadística de neutrinos cosmogénicos (lo que apoyará que KM3-230213A es el primero de ellos).
El artículo ha generado un merecido eco mediático, siendo portada de la revista Nature: The KM3NeT Collaboration, «Observation of an ultra-high-energy cosmic neutrino with KM3NeT,» Nature 638: 376-382 (12 Feb 2025), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08543-1; más información divulgativa en Erik K. Blaufuss, «Mysterious neutrino barrels through deep waters near Sicily,» Nature 638: 324-325 (12 Feb 2025), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-025-00035-0. Para apoyar el artículo en Nature han aparecido en arXiv cuatro artículos sobre la búsqueda de posibles fuentes y sobre las implicaciones del primer neutrino cosmogénico: KM3NeT Collaboration, «The ultra-high-energy event KM3-230213A within the global neutrino landscape,» arXiv:2502.08173 [astro-ph.HE] (12 Feb 2025), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2502.08173; KM3NeT Collaboration et al., «Characterising Candidate Blazar Counterparts of the Ultra-High-Energy Event KM3-230213A,» arXiv:2502.08484 [astro-ph.HE] (12 Feb 2025), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2502.08484; KM3NeT Collaboration, «On the Potential Galactic Origin of the Ultra-High-Energy Event KM3-230213A,» arXiv:2502.08387 [astro-ph.HE] (12 Feb 2025), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2502.08387; The KM3NeT collaboration, «On the potential cosmogenic origin of the ultra-high-energy event KM3-230213A,» arXiv:2502.08508 [astro-ph.HE] (12 Feb 2025), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2502.08508.
Por serendipia, el 13 de febrero de 2023, cuando ARCA disponía solo de 21 líneas verticales, durante un periodo de 287.4 días de toma de datos para calibración del detector, se observó un muón con una energía mediana estimada de 120 PeV (en realidad de 120+110−60 PeV, es decir, 35–380 PeV al 90 % CL). El método estándar de detección de neutrinos en ARCA es la observación de muones producto de la interacción de un neutrino con la materia de la Tierra debajo del detector, es decir, que incide en la dirección desde abajo hacia arriba en el detector. Para los excepcionales neutrinos de mayor energía también se espera la detección en dirección casi horizontal. KM3-230213A es un primer ejemplo de este caso excepcional. El muón observado proviene de una dirección casi horizontal (0.6 ° sobre el horizonte, con acimut de 259.8 °, con el polo norte a 0 ° y creciendo en el sentido de las agujas del reloj). Esta dirección se determina por el retraso temporal de la excitación de las líneas de fotomultiplicadores, como se ilustra en esta figura. El problema es que se ha detectado con solo 21 líneas verticales, en lugar de las 230 líneas del instrumento final, por lo que la incertidumbre en el ángulo de incidencia es bastante grande, 1.5 ° al 68 % CL).
Debido a la dirección de incidencia, usando modelos teóricos, se interpreta que este muón ha recorrido 300 km de espesor equivalente en agua, cuando un muón atmosférico puede recorrer hasta 60 km de espesor equivalente en agua. Por ello, se interpreta este muón como producto de la colisión de un neutrino muónico contra un núcleo de la corteza terrestre. Dicho neutrino tendría una energía mediana estimada de 220 PeV (en realidad 110–790 PeV al 68 % CL y 72–2600 PeV al 90 % CL). KM3-230213A es compatible con lo esperado para un neutrino cosmogénico, es decir, producto de la interacción de un rayo cósmico (protón) con los fotones del fondo cósmico de microondas (el Observatorio Pierre Auger ha registrado rayos cósmicos (protones) con energías de hasta 166 EeV). En concreto, del proceso de Greisen–Zatsepin–Kuzmin (GZK) dado por p + γCMB → Δ+ → n0 + π+, donde el barión delta intermedio decae en un neutrón y un pión, resultando un neutrino muónico vía la desintegración del pión cargado π+ → μ+ + νμ, y otros dos neutrinos vía la desintegración del muón μ+ → e+ + νe + ν̄μ (para protones con energías de cientos de EeV este mecanismo produce neutrinos con energías de cientos de PeV).
La hipótesis de que el neutrino UHE observado es cosmogénico implica que se trata de la primera observación de un neutrino con dicho origen. El problema de esta hipótesis es que IceCube no ha observado ninguno hasta ahora (luego hay una tensión entre la observación de KM3NeT/ARCA y la ausencia de observación de IceCube). Apoya el origen cosmogénico, además de la gran energía, que no se ha logrado identificar ninguna fuente galáctica o cósmica de este neutrino (algo de esperar dado el gran error en la dirección de llegada del neutrino). Se han propuesto muchas explicaciones posibles, pero no se conoce cuál es la correcta. Cuando finalice la construcción de KM3NeT se podrá determinar con precisión la dirección de neutrinos similares. Quizás se observen muchos en la dirección de llegada de KM3-230213A, lo que permitirá asociar a dicha fuente este primer neutrino.
Bajo la hipótesis de que KM3-230213A es un neutrino cosmogénico con una energía de varios cientos de PeV, se puede estimar el flujo de este tipo de neutrinos. El resultado se encuentra en tensión, entre 2.5 y 3 sigmas, con las estimaciones basadas en las observaciones de IceCube y de Pierre Auger. Por supuesto, un único neutrino es muy poca información para realizar este tipo de estimaciones. Con el flujo estimado debería observarse muchos más en ARCA en los próximos años. Conforme mejore la estadística se podrá explicar esta tensión con IceCube y Pierre Auger.
Se han realizado intensas búsquedas de las posibles fuentes de KM3-230213A. La región de cielo de origen es un círculo con un radio de 3 ° en la dirección RA 94.3 °, Dec −7.8 ° (J2000), al 99 % CL. Se han buscado blázars con tres métodos: en el catálogo de eROSITA combinado con NRAO VLA Sky Survey (NVSS a 1.4 GHz), en los catálogos de radio con VLBI (Radio Fundamental Catalog, RFC), y en el catálogo de 3561 blázars llamado 5th Roma BZ Catalogue (5BZCAT). En el cono de incertidumbre se localizan 17 blázars. Un estudio detallado de todos ellos indica que ninguno parece ser la fuente del neutrino.
A pesar de su gran energía, también se ha estudiado el posible origen dentro de nuestra galaxia (Vía Láctea) de este neutrino. En la dirección de incidencia no se observa ningún acelerador de partículas galáctico que pueda explicar su alta energía. La región más próxima es Monoceros R2, una región HII de formación estelar masiva que se encuentra a unos 840 pársecs (∼2700 años luz) de distancia. La emisión difusa galáctica parece ser insuficiente para explicar la producción de un neutrino en esta región. Más aún, no se han observado rayos cósmicos ultraenergéticos desde esta región. Por ello se concluye que se puede descartar el origen galáctico del neutrino, que debe ser extragaláctico.
La tensión entre el flujo de neutrinos EHU predicho por KM3-230213A y las predicciones basadas en observatorios como Pierre Auger y Telescope Array se puede relajar. Estos observatorios se concentran en rayos cósmicos ultraenergéticos en el universo local, con desplazamiento al rojo z ≲ 1. Si el origen del nuevo neutrino fuera mucho más lejano, por ejemplo, una fuente a z ≃ 6, la tensión se relaja bastante. Lo que apoya el origen cosmogénico. Como ya ha pasado con los análisis de galaxias lejanas observadas con el telescopio JWST, puede haber un sesgo de observación en las estimaciones del flujo de neutrinos ultraenergéticos. Pero, como ya he comentado, hasta que no haya una estadística más amplia de este tipos de eventos, este tipo de ideas se pueden tomar como disparos al aire para apoyar el origen cosmogénico.
En resumen, se ha observado por serendipia el que parece ser el neutrino más energético en el detector KM3NeT/ARCA en una configuración que es un 10 % de lo que acabará siendo cuando finalice su construcción. Se confirme en el futuro o no esta primera observación de un neutrino cosmogénico, el éxito logrado augura que se observarán muchos neutrinos de energía récord en ARCA. Sin lugar a dudas, este detector situado en el Mar Mediterráneo será fuente de gran número de noticias en la física de los neutrinos.
La entrada KM3NeT observa un neutrino con energía mediana de 220 PeV fue escrita en La Ciencia de la Mula Francis.
