Proyecto del Año Emerge 2025: La Máquina en las Profundidades Que Atrapó un Fantasma de Ultra Alta Energía

El Mar Mediterráneo, normalmente celebrado por sus costas bañadas por el sol y su superficie azulada, esconde un secreto en su oscuridad abrumadora.

A tres kilómetros y medio bajo las olas, frente a la costa de Sicilia, el agua es completamente negra, casi congelada y bajo una presión lo suficientemente intensa como para aplastar un submarino como si fuera una lata de cerveza vacía. Es un lugar de profundo silencio, sin ser perturbado por los asuntos caóticos del mundo superficial. Sin embargo, en este abismo, algo está observando.

Miles de esferas de vidrio, colgadas como perlas gigantes en cables verticales que se elevan desde el fondo marino, cuelgan en la oscuridad. Están escuchando para que el universo susurre sus secretos.

En un tranquilo martes de febrero de 2023, el silencio fue interrumpido por un destello fantasmal de luz azul que duró apenas nanosegundos. Fue una señal que había viajado miles de millones de años luz, pasando a través de galaxias, estrellas y toda la masa de la Tierra antes de terminar su viaje aquí, en los sensores de una máquina que ni siquiera estaba completamente construida todavía.

Esa ráfaga fue la huella de un neutrino que transportaba 220 Peta-electronvoltios (PeV) de energía, un número tan grande que roza lo absurdo para una sola partícula subatómica. Fue el neutrino de mayor energía jamás detectado por la humanidad, un mensajero de un cataclismo cósmico de poder insondable.

Pero la verdadera maravilla no fue solo la partícula; fue la máquina que la capturó.

Por qué es importante

Los editores de Emerge de Decrypt han seleccionado la Iniciativa KM3NeT (Telescopio de Neutrinos de un Kilómetro Cúbico) como el Proyecto del Año 2025, porque representa un cambio fundamental en nuestra relación con el cosmos.

Mientras que la astronomía tradicional ha pasado siglos refinando cómo miramos el universo, KM3NeT nos permite percibir su núcleo mismo, detectando partículas que atraviesan la materia como si no estuviera allí. Elegimos esta iniciativa no solo por la confirmación histórica del evento de 220 PeV publicado este año, sino por la pura audacia de su ingeniería.

Al convertir el abismo mediterráneo en el laboratorio de física de alta energía más grande del mundo, KM3NeT ha demostrado que podemos construir instrumentos de precisión en los entornos más hostiles de la Tierra para responder a las preguntas más esquivas de la galaxia. Es un triunfo de la cooperación internacional, la resiliencia y la visión, que ofrece ciencia que cambia el mundo antes de que la construcción esté siquiera completa.

La paradoja de la partícula fantasma

¿Por qué es necesaria esta máquina? En primer lugar, uno necesita entender la paradoja del neutrino. A menudo llamadas "partículas fantasma", los neutrinos son las segundas partículas más abundantes en el universo, superadas solo por los fotones de luz.

Son producidos por reacciones nucleares, en el corazón de nuestro sol, en la explosión de estrellas moribundas y en los violentos chorros de agujeros negros. Billones de ellos están pasando a través de tu cuerpo en este momento. No puedes sentirlos, ni ellos te sienten a ti.

Los neutrinos casi no tienen masa y no tienen carga eléctrica, lo que significa que no interactúan con campos electromagnéticos. Mientras que un fotón de luz puede ser detenido por una hoja de papel o una pared, un neutrino puede atravesar un bloque de plomo de un año luz de espesor sin desacelerarse. Esto los convierte en los mensajeros cósmicos perfectos.

A diferencia de la luz, que puede ser bloqueada por nubes de polvo, o de partículas cargadas, que son desviadas por campos magnéticos, los neutrinos viajan en línea recta desde su fuente hasta nosotros. Si podemos atraparlos, entonces podemos apuntar directamente de vuelta a los motores del universo—supernovas, blazars y estrellas de neutrones en colisión—y ver exactamente lo que está sucediendo dentro de ellos.

Pero su mayor fortaleza es también su mayor debilidad: debido a que no interactúan con nada, son casi imposibles de atrapar. Para detectar siquiera un puñado de ellos, se necesita un objetivo de tamaño inmenso—una "red" tan grande que puramente por las leyes de probabilidad, un neutrino eventualmente chocará con un átomo dentro de ella. También se necesita oscuridad total para ver la débil chispa que produce la colisión. Construir un detector de ese tamaño en tierra es prohibitivamente caro y técnicamente imposible.

Entonces, los físicos de KM3NeT decidieron tomar prestado un detector que la naturaleza ya había construido: el océano.

La catedral submarina

La premisa de KM3NeT es elegante en su simplicidad pero brutal en su ejecución. Cuando un neutrino de alta energía finalmente choca contra un núcleo atómico en el agua, aniquila el núcleo y crea una lluvia de partículas cargadas secundarias, como muones.

Estas partículas atraviesan el agua más rápido de lo que la luz puede viajar en ese mismo medio (aunque aún más lento que la velocidad de la luz en el vacío). Esta ruptura de la "barrera de luz" crea una onda de choque de luz azul conocida como radiación Cherenkov, esencialmente el equivalente óptico de un estruendo sónico.

La infraestructura de KM3NeT está diseñada para capturar este efímero resplandor azul. El "telescopio" no utiliza lentes ni espejos. En su lugar, consta de cientos de líneas verticales, o "cuerdas", ancladas al fondo marino y mantenidas tensas por boyas sumergidas. Adjuntos a estas cuerdas están los Módulos Ópticos Digitales (DOMs), esferas de vidrio resistentes a la presión de aproximadamente 17 pulgadas de diámetro.

"Lo maravilloso de un telescopio de neutrinos es que no necesitamos apuntarlo explícitamente, captará neutrinos desde todas las direcciones; el apuntado se realiza en el software", dijo Paul DeJong, hablando en nombre del proyecto, a Decrypt.

DeJong, un profesor en la Universidad de Ámsterdam y científico senior en Nikhef (Instituto Nacional Holandés de Física Subatómica), es conocido por sus roles de liderazgo en importantes colaboraciones como el experimento ATLAS de CERN (descubrimiento del bosón de Higgs). También es el portavoz designado para el proyecto del telescopio de neutrinos KM3NeT.

Dentro de cada esfera hay una maravilla de miniaturización. Mientras que los detectores de neutrinos más antiguos utilizaban sensores de luz grandes y únicos, los DOMs de KM3NeT contienen 31 tubos fotomultiplicadores más pequeños dispuestos como el ojo compuesto de una mosca. Este diseño multiocular les otorga una sensibilidad direccional excepcional y les permite distinguir entre una señal genuina de neutrinos y el "ruido" de fondo de criaturas marinas bioluminiscentes o sales de potasio radiactivo naturalmente presentes en el agua de mar.

La escala es difícil de visualizar. El detector no es un objeto sólido único sino un bosque disperso de sensores distribuidos en un kilómetro cúbico de agua. Es una catedral construida solo con cable, vidrio y el mar mismo, más alta que el Burj Khalifa, pero completamente invisible desde la superficie.

Un cuento de dos telescopios

La iniciativa en realidad son dos detectores separados, cada uno ajustado a una frecuencia diferente de la orquesta cósmica.

El primero, ubicado frente a la costa de Toulon, Francia, se llama ORCA (Investigación de Oscilaciones con Cósmicos en el Abismo). Aquí, los sensores están empaquetados estrechamente juntos. El trabajo de ORCA es capturar neutrinos de baja energía que han viajado a través de la Tierra desde el otro lado.

Estudiando cómo estos neutrinos cambian de "sabores" - un truco de cambio de forma cuántico - a medida que pasan a través del manto de nuestro planeta, ORCA tiene como objetivo resolver el problema de la "jerarquía de masas": determinar cuál de los tres tipos de neutrinos es el más pesado. Esto suena abstracto, pero la respuesta es clave para entender por qué el universo está hecho de materia en lugar de antimateria.

El segundo detector, y el sitio del reciente descubrimiento récord, es ARCA (Investigación de Astropartículas con Cósmicos en el Abismo). Ubicado en las aguas más profundas frente a Capo Passero, Italia, ARCA es el gigante. Sus sensores están espaciados ampliamente para monitorear un volumen masivo de agua. ARCA es el verdadero "telescopio", diseñado para capturar a los monstruos de ultra alta energía que llegan desde el espacio profundo.

El avance de 220 PeV

La comunidad científica quedó electrificada a principios de este año cuando la colaboración KM3NeT publicó su análisis del evento ahora conocido como KM3-230213A. Para poner 220 PeV en perspectiva, los neutrinos típicos del sol llegan con energías en el rango de Mega-electronvoltios (MeV). Un PeV es mil millones de veces más energético que eso. La partícula detectada por ARCA llevaba tanta energía cinética como una pelota de tenis profesionalmente servida, todo empaquetado en un punto subatómico más pequeño que un átomo.

Esta detección confirmó lo que los teóricos habían sospechado durante mucho tiempo pero no podían probar: que el universo contiene aceleradores de partículas naturales mucho más poderosos que el Gran Colisionador de Hadrones. Mientras que el Colisionador funciona con kilómetros de imanes y electricidad, las fuentes de estos neutrinos funcionan con gravedad y turbulencia magnética a escala galáctica.

El evento de 220 PeV probablemente se originó en un blázar, un agujero negro supermasivo disparando un chorro de plasma directamente hacia la Tierra. La detección ha empujado efectivamente los límites del Modelo Estándar de la física de partículas, desafiando nuestra comprensión de cuán alta puede ser la energía antes de que las leyes de la física impongan un límite de velocidad.

Ingeniería de lo imposible

El éxito de KM3NeT es una victoria para la física. Desplegar estas líneas es un ballet logístico. Cada cuerda se enrolla en un marco compacto lanzador esférico, se baja al lecho marino por un barco especializado y luego se despliega acústicamente, elevándose cientos de metros en la columna de agua.

Los desafíos son implacables. La presión a estas profundidades es de 350 atmósferas. El agua salada es altamente corrosiva. La electrónica debe funcionar de forma autónoma durante décadas sin mantenimiento, ya que no se puede simplemente enviar a un buzo a cambiar un fusible. El equipo tuvo que desarrollar nuevos sistemas de transmisión de datos por fibra óptica para enviar terabytes de datos crudos desde el fondo marino a estaciones en tierra en tiempo real.

A principios de 2025, el sitio ARCA enfrentó una falla de energía en su red submarina, un contratiempo que requirió una intervención robótica compleja para solucionar. A pesar de estos obstáculos, el equipo sigue sin desanimarse.

"La tecnología está probada, pero el detector no está terminado", admitió DeJong. "En este momento, aproximadamente el 25% de los elementos del detector previstos han sido desplegados... pero completar el detector será un trabajo significativo."

El cronograma refleja la magnitud de la tarea, apuntando al 2030 para ORCA y al 2031 para ARCA.

"El tamaño importa para atrapar neutrinos esquivos, por lo que necesitamos ese volumen adicional", dijo DeJong. "Las difíciles condiciones tan profundas en el mar siguen siendo un desafío."

La nueva era de la astronomía

A medida que 2025 llega a su fin, KM3NeT sigue creciendo. Nuevas líneas están siendo desplegadas tanto en Francia como en Italia. Pero ya ha cumplido su promesa. Hemos pasado de una era de astronomía puramente visual a una astronomía "multi-mensajera". Ahora podemos observar una estrella explotar con telescopios, sentir la ondulación en el espacio-tiempo con detectores de ondas gravitacionales, y atrapar las partículas fantasma que huyen de la escena con cazadores de neutrinos.

"Me gustaría ver neutrinos de fuentes que también emiten otros tipos de radiación, rayos gamma por ejemplo, o ondas gravitacionales", dice DeJong, mirando hacia el futuro. "La combinación de toda la información realmente nos permitirá avanzar en la comprensión del universo."

La Iniciativa KM3NeT nos recuerda que para ver los límites más lejanos de los cielos, a veces debemos mirar profundamente en el abismo. También nos recuerda nuestra propia conexión íntima con esos eventos celestiales distantes.

Como señala DeJong: "¡Literalmente somos polvo de estrellas! ¿No es un concepto fantástico?"