Astrofísica: La Col·laboració KM3NeT té com a objectiu la detecció de neutrinos còsmics amb energies superiors a un TeV. Ens obre així una nova finestra a fenòmens astrofísics. L’astronomia s’ha basat tradicionalment en l’observació d’ones electromagnètics, començant per la llum visible. Els neutrinos, com els fotons, són elèctricament neutres, però a més no interactuen amb els camps magnètics i tan sols rarament són absorbits per la matèria interestel·lar, amb la que interactuen exclusivament mitjançant la interacció nuclear feble. Aquesta capacitat de penetració, però, els fa interessants, ja que el seu origen còsmic pot remuntar a les regions més llunyanes de l’univers, i per la mateixa raó les més antigues. Els neutrinos d’alta energia poden produir-se a partir de la interacció a velocitats ultrarelativistes de raigs còsmics formats per protons o nuclis amb altres materials o amb fotons. Els neutrinos còsmics d’alta energia, doncs, actuen com un testimoni d’aquests processos astrofísics. Aquesta setmana la KM3NeT ha publicat un article a Nature on reporten l’observació d’un neutrino còsmic d’una energia ultra-alta. La detecció es va fer a través del telescopi de neutrinos que KM3NeT té situat en les profunditats de la Mar Mediterrània. L’observatori detectà de fet un muó amb una energia estimada d’entre 60 i 230 petaelectronvolts (PeV, recordem que 1 PeV = 1000 TeV!). L’enorme energia del muó i la seva direcció gairebé horitzontal indicaria com a origen una interacció d’un neutrino d’una energia encara més alta en les proximitats del detector. Si la interpretació és correcta som davant del neutrino més energètic mai detectat pels observatoris. O bé el neutrino s’ha originat en un accelerador còsmic diferent al que genera els neutrinos de més baixa energia, o bé es tracta de la primera detecció d’un neutrino cosmogènic. Aquesta darrera possibilitat implicaria un origen en les interaccions entre els raigs còsmics d’energia ultra-alta amb els fotons de radiació còsmica de fons.
Neutrinos còsmics
Els neutrinos còsmics poden produir-se bé en la proximitat d’una font de raigs còsmics o bé al llarg de la trajectòria de propagació del raig còsmic, conduint a la producció de partícules inestables secundàries que acaben per desintegrar-se en neutrinos.
Els raigs còsmics que interactuen amb l’atmosfera de la Terra produeixen neutrinos atmosfèrics. Aquests neutrinos atmosfèrics constitueixen un soroll de fons experimental en relació als neutrinos còsmics. D’aquesta manera, per tal de detectar neutrinos còsmics, cal la construcció d’observatoris de neutrinos de molt gran volum dins de cossos naturals d’aigua o de glaç. Aquesta localització permet la detecció de la llum de Cherenkov induïda pel pas de partícules carregades resultants d’interaccions de neutrinos dins o prop del detector.
La infrastructura de recerca KM3NeT consta de dos dispositius detectors de sensors òptics situats en la profunditat de la Mediterrània. El detector ARCA es troba davant de Portopalo di Capo Passero (Sicília), a una fondària de 3450 metres, i connecta amb un cable electro-òptic amb l’estació litoral de l’INFN en el Laboratori Nazionali del Sud (LNS). La geometria d’ARCA s’ha optimitzat per a l’estudi de neutrinos còsmics d’alta energia.
El detector ORCA es troba davant de Tolon, a una profunditat de 2450 metres. La geometria d’ORCA s’ha optimitzat per a l’estudi d’oscil·lacions de neutrinos.
ARCA i ORCA es troben encara en fase de construcció, però ja són operatius. Quan siguin complets disposaran de 345 línies de detecció vertical (230 d’ARC i 115 d’ORCA), cadascuna dotada de 18 mòduls òptics. Cada mòdul acull 31 tubs fotomultiplicadors (PMTs) de 3 polsades, i en apuntar a totes direccions garanteixen una cobertura de 4π estereoradians. Tant ARCA com ORCA poden identificar tots els sabors d’interaccions de neutrinos: a) els ‘rastres’ que produeixen els muons de llarga vida; b) les ‘dutxes’ de cascades electromagnètiques i hadròniques en el vèrtex de la interacció de neutrinos.
Interaccions de neutrinos poden produir muons d’alta energia que poden viatjar diversos quilòmetres dins del mar abans d’ésser absorbits. A mesura que es propaguen aquests muons perden energia principalment per processos radiatius estocàstics (bremsstrahlung, producció de parells, reaccions fotonuclears). La pèrdua d’energia mitjana per distància recorreguda és proporcional a l’energia del muó. Aquestes pèrdues estocàstiques d’energia donen lloc a cascades electromagnètiques. El nombre de partícules carregades que produeixen radiació de Cherenkov en les cascades és proporcional a la quantitat d’energia perduda pel muó en el procés. Els senyals dels PMTs permeten, a través del temps d’arribada i dels llindars temporals reconstruir la direcció i energia del muó.
En energies de l’ordre d’1 TeV els neutrinos atmosfèrics són més abundants que els neutrinos còsmics. En canvi, en energies de l’ordre de 100 TeV, els neutrinos còsmics passen a dominar. Per això la detecció de neutrinos d’aquesta energia o superior és indicativa d’un origen còsmic. En el 2013, per exemple, la IceCube Collaboration detectà neutrinos còsmics de l’ordre de PeV (1 PeV = 1000 TeV). Els més energètics detectats per IceCube són un antineutrino electrònic de 6 PeV del 2021 i un neutrino muònic de més de 10 PeV del 2022.
L’esdeveniment KM3-230213A
Ara fa dos anys, el 13 de febrer del 2023 a les 01:16:47 UTC el detector ARCA observà un muó d’energia extremadament alta. Fou catalogat com a KM3-230213A. En aquell moment hi havia 21 línies de detecció operatives, que s’havien instal·lat el 23 de setembre del 2022. L’11 de setembre del 2023 s’instal·laren set línies addicionals.
Hom disposava, doncs, de 287,4 dies de dades preses sota aquesta configuració. En aquest període es registraren uns 110 milions d’esdeveniments, dels quals KM3-230213A és el més energètic.
KM3-230213A es registrà com un total de 28086 senyals de les 21 línies de detecció. Els PMTs més propers a la trajectòria del muó quedaren saturats per la llum detectada. En el rastre del muó s’observaren tres grans dutxes.
A través dels temps i posicions mesurats en els primers senyals és possible reconstruir la trajectòria del muó. El muó viatjava a velocitats altament relativistes al llarg de diversos centenars de metres del detector. La direcció era gairebé horitzontal, amb uns 0,6° damunt de l’horitzó, i l’azimut era de 259,8°.
L’energia del muó en el detector es pot estimar a través del nombre de PMTs que hi participaren. En total ho feren 3672, és a dir el 35% dels PMTs actius, una xifra que no assoleix cap altre esdeveniment dels detectats. Simulacions de Monte Carlo permeten fer una estimació de l’energia muònica. Amb un 90% de nivell de confiança es pot estimar un marge d’entre 35 i 380 PeV.
Donada la direcció del muó, si fos un muó atmosfèric hauria d’haver creuat l’equivalent a 300 km d’aigua, cosa que es fora de l’abast fins i tot de muons de 100 EeV (1 EeV = 1000 PeV).
Pel que fa a neutrinos atmosfèrics, hom calcula que el detector tan sols seria exposat a un neutrino atmosfèric de més de 100 PeV cada 100.000 anys.
Així doncs, segons totes les hipòtesis del model estàndard, l’origen més probable de KM3-230213A és còsmic. Val a dir que l’energia del muó constitueix un límit inferior per a l’energia del neutrino còsmic. Així hom pot esperar que l’energia del neutrino còsmic desencadenant fos de 110-790 PeV.
Un flux isotròpic de neutrinos d’energia ultra-alta hauria de donar lloc a esdeveniment detectables prop de l’horitzó. Els neutrinos que entressin en l’atmosfera en un angle recte quedarien amagats pel soroll de fons de muons atmosfèrics.
L’origen celeste
Les coordenades celestes d’on provindria el neutrino còsmic de KM3-230213A són 94,3° d’ascensió recta i -7,8° de declinació. El temps es correspondria a una data juliana modificada de 59988,0533299.
Com a possibles orígens còsmics cal contemplar possibles fonts galàctiques, de l’univers local, transitòries o extragalàctiques.
Per la inclinació galàctica la font podria ser del medi interestel·lar galàctica. Malgrat que prové d’una zona del cel coincident amb els núvols moleculars d’Orió no hi ha cap font catalogada sospitosa.
Pel que fa a un origen en l’univers local, a una distància inferior a 100 Mpc, la zona en qüestió abastaria 40 galàxies. En aquestes galàxies hom no trobà cap observació sospitosa.
Pel que fa a un origen extragalàctic, caldria contemplar nuclis galàctics actius i blàzars. La zona en qüestió compta amb 12 d’aquests objectes.
Una altra línia d’investigació són els catàlegs de fonts astrofísiques de neutrinos elaborades per l’ARCA, l’ORCA, l’Antares o l’IceCube. No hi apareix cap de notable.
Una hipòtesi alternativa és la producció cosmogònica de neutrinos, és a dir la generació de neutrinos per la interacció de raigs còsmics amb radiació extragalàctica de fons o la radiació còsmica de microones de fons.
Finalment, cal contemplar la possibilitat d’una emissió transitòria, per exemple vinculada a un esclat de raigs gamma, una disrupció mareal, BL Lacs de baixa lluminositat o radioquàsars d’espectre pla.
Sigui coms sigui, la detecció d’un neutrino muònic amb una energia superior a 100 PeV és indicativa de l’existència a la natura de neutrinos d’energia ultra-alta.
Lligams:
- Observation of an ultra-high-energy cosmic neutrino with KM3NeT. The KM3NeT Collaboration. Nature 638: 376-382 (2025).
- KM3NeT.
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada