Búsqueda de neutrinos cósmicos utilizando dos telescopios en la Antártida y el Mediterráneo

Miembros del grupo de investigación del Instituto de Física Corpuscular participantes en los experimentos ANTARES/KM3NeT. Foto: IFIC (CSIC-UV).Nuevo paso adelante en la astronomía multimensajero. La prestigiosa revista The Astrophysical Journal publica un estudio conjunto de los experimentos IceCube y ANTARES para buscar neutrinos de origen astrofísico. Se trata de dos de los principales telescopios del mundo que buscan este tipo de partícula elemental, que contiene valiosa información de los lugares del cosmos donde se producen como las cercanías de agujeros negros o en supernovas. El estudio está liderado por Giulia Illuminati, investigadora predoctoral del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universitat de València), centro de investigación que lidera la participación española en ANTARES y su sucesor, KM3NeT.

La astronomía ya no observa el universo sólo mediante el espectro electromagnético (luz, infrarrojos u ondas de radio). Los avances en la física y la tecnología permiten utilizar otras fuentes como los neutrinos. Este tipo de partícula elemental es un mensajero fiel que contiene valiosa información de los lugares donde se producen, fenómenos extremos del universo como supernovas o agujeros negros. Por sus peculiares características (no tienen carga eléctrica y apenas tienen masa), los neutrinos viajan directamente hasta nosotros desde su origen, por lo que son una herramienta muy útil para identificar dónde se producen estos sucesos.

Sin embargo, sus propiedades también los hacen muy difíciles de detectar. Para ello, los experimentos que los buscan utilizan grandes volúmenes de materia, esperando que uno de estos neutrinos de origen astrofísico interaccione dejando una señal en sus detectores. Uno de ellos es IceCube, que despliega más de 5.000 detectores ópticos en un kilómetro cúbico de hielo de la Antártida. Otro es ANTARES, que tiene cerca de 1.000 detectores en el fondo del mar Mediterráneo, junto a la costa francesa.

Ambos llevan más de una década tomando datos. IceCube fue el primer experimento capaz de detectar neutrinos de muy alta energía, cuyo origen estaba fuera de nuestro sistema solar. Además, fue el primer telescopio en observar una asociación convincente de neutrinos astrofísicos con una fuente cósmica individual, el blazar TXS 0506+056 (un blazar es una fuente de energía muy compacta y variable, asociada a un agujero negro en el centro de una galaxia). Sin embargo, el origen de la mayoría de los neutrinos astrofísicos observados por IceCube sigue siendo desconocido, lo que motiva estudios adicionales.

Aquí es donde cobra importancia el trabajo realizado por Giulia Illuminati en el grupo de ANTARES-KM3NeT del Instituto de Física Corpuscular. La investigadora predoctoral ha liderado hasta cinco análisis que combinan datos de IceCube y ANTARES para buscar el origen de los neutrinos astrofísicos. “La razón para hacer esto es que los dos telescopios se complementan gracias a sus diferentes características, en particular el mayor volumen de IceCube y la vista privilegiada del cielo del Hemisferio Sur de ANTARES”, explica Illuminati.

Los primeros dos análisis consistieron en la exploración completa del cielo del Hemisferio Sur y de una región restringida alrededor del centro de nuestra galaxia, donde se cree que hay un agujero negro supermasivo. En el tercer análisis investigaron las posiciones de una lista de 57 objetos astrofísicos conocidos por su emisión de rayos gamma (a la que se asocia también la producción de neutrinos). Por último, llevaron a cabo dos búsquedas de la ubicación de dos candidatos prometedores a ser fuentes de neutrinos: la fuente de radio Sagitario A* (asociada al agujero negro supermasivo del centro de la Vía Láctea) y el remanente de supernova RXJ 1713.7-3946.

“Dado que los alrededores de los agujeros negros supermasivos son un sitio donde muy probablemente se produce la aceleración de rayos cósmicos de muy alta energía, y, por lo tanto, posibles fuentes de neutrinos cósmicos, Sagitario A*, ubicado en el centro de nuestra galaxia, es un candidato de particular interés”, justifica Illuminati. Por su parte, “los remanentes de supernova son los candidatos más prometedores para la aceleración de los rayos cósmicos galácticos. Por lo tanto, el remanente de supernova RX J1713.7–3946, que es el objeto más brillante de este tipo en el cielo observado en rayos gamma con energías del TeV, representa un objetivo particularmente interesante para la búsqueda de neutrinos cósmicos”, señala.

Aunque los análisis no encontraron ninguna emisión significativa de neutrinos procedente de los lugares explorados, han servido para demostrar el potencial de realizar búsquedas conjuntas con ambos experimentos para realizar descubrimientos futuros. “Para descubrir una fuente de neutrinos en el área del centro galáctico sólo necesitaríamos observar la mitad del flujo de neutrinos en comparación con lo que cada experimento debe observar por separado”, asegura la investigadora del IFIC. Esto supone duplicar la sensibilidad de ambos experimentos de forma conjunta. Con la puesta en marcha de KM3NeT, que desplegará más de 10.000 sensores en varios sitios del Mediterráneo y cuyas primeras líneas se han instalado y están tomando datos, y la próxima mejora de IceCube, el potencial de los análisis conjuntos parece claro.

Más información

ANTARES and IceCube Combined Search for Neutrino Point-like and Extended Sources in the Southern Sky, ANTARES and IceCube Collaboration, The Astrophysical Journal, Volume 892, Number 2.

Fuente: IFIC







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