KM3Net

El Telescopio de Neutrinos del Kilómetro Cúbico , o KM3NeT , es una infraestructura de investigación europea ubicada en el lecho del mar Mediterráneo a profundidades superiores a los 2 kilómetros. Alberga telescopios de neutrinos Cherenkov de agua diseñados para detectar y estudiar neutrinos provenientes de fuentes astrofísicas distantes, así como de nuestra propia atmósfera, contribuyendo significativamente al conocimiento tanto de la astrofísica como de la física de partículas . ^{[ 1 ]}

Conjuntos de miles de módulos de sensores ópticos detectan la tenue luz Cherenkov en las profundidades marinas, proveniente de partículas cargadas que se originan por la interacción de neutrinos en el agua o las rocas cercanas al detector. La posición y la dirección de los módulos ópticos, así como el tiempo de llegada de la luz a los fotomultiplicadores internos, se registran con alta precisión. A partir de estas mediciones, se reconstruyen las propiedades de las partículas, como su trayectoria y energía.

El proyecto KM3NeT prevé la construcción de varios de estos detectores en las profundidades del mar Mediterráneo, a lo largo de las costas meridionales de Europa: KM3NeT-Fr (frente a Toulon , Francia) alberga el detector ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss), y KM3NeT-It (frente a Portopalo di Capo Passero , Sicilia, Italia) alberga el detector ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss). Ambos detectores están recopilando datos. KM3NeT-Gr (frente a Pylos , Peloponeso, Grecia) ampliará la infraestructura de investigación de KM3NeT en una fase posterior. El proyecto KM3NeT da continuidad al trabajo realizado por el telescopio de neutrinos ANTARES , que operó frente a las costas de Francia entre 2008 y 2022.

La supervisión, gobernanza y gestión de la implementación y operación de KM3NeT se lleva a cabo mediante una colaboración internacional en la que participan más de 68 instituciones de 21 países de todo el mundo. La comunidad de KM3NeT está compuesta por aproximadamente 360 ​​científicos, junto con ingenieros y técnicos. ^{[ 2 ]}

Los principales objetivos de la Colaboración KM3NeT son los siguientes: ^{[ 3 ]}

1. El descubrimiento y posterior observación de fuentes de neutrinos de alta energía en el universo permite estudiar una amplia variedad de objetos cósmicos, como remanentes de supernovas , estallidos de rayos gamma , supernovas y estrellas en colisión. Mediante la identificación de neutrinos provenientes de estas fuentes, KM3NeT busca comprender el origen de los rayos cósmicos y los mecanismos que impulsan algunos de los eventos más extremos del universo.
2. Investigaciones exhaustivas de las propiedades fundamentales de los neutrinos, en particular de sus oscilaciones , especialmente para determinar su orden de masas mediante la medición de las oscilaciones de los neutrinos atmosféricos. La capacidad de distinguir entre diferentes estados de masa de los neutrinos proporcionará información crucial sobre su naturaleza y su papel en el Modelo Estándar de la física de partículas.

Además de estos objetivos científicos principales, el telescopio es una herramienta poderosa en la búsqueda de materia oscura en el universo. Asimismo, la infraestructura de investigación alberga instrumentación para otras ciencias como la biología marina , la oceanografía y la geofísica , lo que permite el monitoreo a largo plazo y en tiempo real del entorno de las profundidades marinas y el lecho marino a varios kilómetros de profundidad.

El detector ARCA es un telescopio de un kilómetro cúbico que busca fuentes de neutrinos en el cosmos . El detector ORCA está optimizado para la medición de las propiedades de los neutrinos y, por lo tanto, para investigar cuestiones relacionadas con la física de partículas .

Las infraestructuras en Francia e Italia están diseñadas para constar de casi 200  000 sensores de luz ( tubos fotomultiplicadores o PMT) distribuidos en tres bloques de construcción: dos para KM3NeT/ARCA y uno para KM3NeT/ORCA. Cada bloque de construcción consta de 115 cadenas verticales flexibles —o unidades de detección (UD)— ancladas al lecho marino. Cada cadena soporta 18 módulos de sensores esféricos resistentes a la presión y cada módulo óptico consta de 31 tubos fotomultiplicadores. De este modo, cada bloque de construcción constituye una matriz tridimensional de fotosensores que puede utilizarse para detectar la luz Cherenkov producida cuando las partículas relativistas que emergen de las interacciones de neutrinos viajan a través del agua de mar. ^{[ 4 ]}

El sitio KM3NeT-It ( 36°16′N 16°06′E / 36.267°N 16.100°E / 36.267; 16.100 ) que alberga el detector ARCA está a una profundidad de 3500  m. ^{[ 5 ]} Está optimizado para la detección de neutrinos cósmicos de alta energía en el rango TeV–PeV mediante un amplio espaciado de los módulos ópticos: los 18 módulos están aproximadamente espaciados de manera uniforme en cadenas de unos 700  m de longitud y separadas por unos 90  m.

El sitio KM3NeT-Fr ( 42°48′N 06°02′E / 42.800°N 6.033°E / 42.800; 6.033 ) que alberga el detector ORCA está a una profundidad de 2450 m. ^{[ 6 ]} Los módulos ópticos más próximos hacen que el detector ORCA sea óptimo para la detección de neutrinos en el rango de GeV. ORCA constará de 115 cadenas en una cuadrícula triangular de 20 m, con un espaciado de 9 m entre los módulos ópticos de una cadena. En total, el conjunto tiene aproximadamente 210 m de diámetro y las cadenas tienen 200 m de longitud.   

La posición de los módulos y el tiempo de llegada de la luz a los fotomultiplicadores internos se miden con alta precisión. Cada módulo óptico tiene aproximadamente 44 centímetros (17 pulgadas) de diámetro, contiene 31 tubos fotomultiplicadores de tres pulgadas con su electrónica de soporte y está conectado a tierra mediante una red óptica de alto ancho de banda. ^{[ 7 ]} A través de una red electroóptica de cables y cajas de conexiones en el lecho marino, los módulos ópticos se conectan a estaciones de control en tierra para el suministro eléctrico, el control del detector y la transmisión de datos. ^{[ 8 ]} 

Dado que las cadenas con módulos ópticos se mueven con las corrientes en las profundidades marinas, la posición y orientación de los módulos ópticos y, por lo tanto, de los tubos fotomultiplicadores en su interior, se monitorean dinámicamente mediante un sistema acústico y un sistema de brújula, respectivamente. ^{[ 9 ]} En cada módulo óptico se utilizan pulsadores LED controlados para la calibración temporal. ^{[ 10 ]}

En la costa de cada lugar de instalación de KM3NeT, un conjunto de ordenadores realiza el primer filtrado de datos, antes de transmitirlos a un centro de datos central de KM3NeT para su almacenamiento y posterior análisis por parte de los científicos de KM3NeT.

La construcción y el despliegue de muchas de las piezas del detector se ilustran en varios vídeos. ^{[ 11 ]}

El diseño del telescopio de neutrinos KM3NeT es muy modular y la construcción se realiza por fases. En 2012, la implementación de la instalación de investigación KM3NeT comenzó con la construcción de las infraestructuras del lecho marino en los sitios KM3NeT-Fr y KM3NeT-It. Un módulo óptico prototipo de KM3NeT tomó datos con éxito durante aproximadamente un año en 2013-2014 como parte del telescopio ANTARES . ^{[ 12 ]} En el sitio KM3NeT-It, una cadena prototipo tomó datos en 2014-2015, también durante aproximadamente un año. ^{[ 13 ]} La segunda fase de construcción comprende la finalización de los detectores ARCA y ORCA en los sitios KM3NeT-It y KM3NeT-Fr, respectivamente. Entre 2017 y 2026, en el sitio ORCA se instalaron 38 líneas de detección, y en el sitio ARCA se instalaron 51 líneas de detección; por lo tanto, a finales de 2026, más del 10 % del detector estaba tomando datos. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

Con las configuraciones parciales del detector, la colaboración KM3NeT ya ha publicado resultados en revistas científicas revisadas por pares, entre las que se encuentran:

Con solo seis líneas del detector ORCA, los parámetros de oscilación atmosférica se midieron como sin ² (θ ₂₃ ) =0,51 +0,04 −0,05 , y ∆m ² ₃₁ =2,18 +0,25 −0,35 × 10 ⁻³ eV ²${\displaystyle \cup }${ -2,25, -1,76 } × 10 ⁻³ eV ² al 68% CL. ^{[ 16 ]}

Se realizó una búsqueda de contrapartes de neutrinos con datos de KM3NeT para la tercera ronda de observación de los interferómetros de ondas gravitacionales LIGO y Virgo en 2019-2020. Ambas búsquedas no arrojaron un exceso significativo para las fuentes en los catálogos de ondas gravitacionales. Para cada fuente, se establecieron límites superiores para el flujo de neutrinos y para la energía total emitida en neutrinos en los respectivos rangos de energía. También se realizaron análisis de apilamiento de fusiones de agujeros negros binarios y fusiones de estrellas de neutrones con agujeros negros para restringir la emisión característica de neutrinos de estas categorías. ^{[ 17 ]}

Con 10 líneas de ORCA y 21 líneas de ARCA instaladas, se realizó un estudio de seguimiento del fenómeno transitorio extraordinariamente brillante detectado por el Monitor de Estallidos de Rayos Gamma el 9 de octubre de 2022 por el satélite Fermi . No se encontraron eventos de neutrinos candidatos que coincidieran con la ubicación del estallido de rayos gamma. Se presentaron límites superiores para la emisión de neutrinos asociada. ^{[ 18 ]}

Se han publicado muchos más estudios sobre: ​​desintegración invisible de neutrinos, neutrinos estériles , interacciones de neutrinos no estándar, búsquedas de materia oscura , decoherencia cuántica en oscilaciones de neutrinos, muones atmosféricos, flujo difuso de neutrinos, emisión de fuentes puntuales, galaxias con brotes estelares , supernovas de colapso de núcleo y análisis combinados con otros experimentos como JUNO y CTA . ^{[ 19 ]}

Además, basándose en simulaciones detalladas de Monte Carlo , las perspectivas de los detectores KM3NeT para ORCA y ARCA se presentan en publicaciones como por ejemplo: ^{[ 20 ] [ 21 ]} Una lista completa de los artículos científicos y técnicos de KM3NET se puede encontrar en INSPIRE-HEP. ^{[ 22 ]} KM3NeT está comprometido con la publicación de acceso abierto.

En 2025, investigadores que utilizaban el detector KM3NeT/ORCA comenzaron a investigar la gravedad cuántica estudiando las oscilaciones de neutrinos . El estudio tenía como objetivo detectar indicios de decoherencia, un posible efecto de la gravedad cuántica. Sin embargo, no se encontró evidencia de decoherencia, lo que estableció nuevos límites superiores para la intensidad de tales efectos. Aun así, esta investigación contribuyó a avanzar en la búsqueda de la gravedad cuántica, utilizando los neutrinos como herramienta para explorar la conexión entre la mecánica cuántica y la gravedad. ^{[ 23 ]}

El 13 de febrero de 2023 a las 01:16:47 UTC se observó un muón de energía extremadamente alta que atravesaba el detector ARCA en el sitio KM3NeT-It. El evento se denomina KM3-230213A. ^{[ 24 ]} En el momento de la observación, 21 líneas de detección de ARCA estaban en funcionamiento. La trayectoria del muón se reconstruyó a partir de los tiempos y posiciones medidos de los primeros impactos registrados en los tubos fotomultiplicadores de los módulos ópticos. ^{[ 25 ]}

La dirección de KM3-230213A se reconstruye como casi horizontal, a 0,6 grados por encima del horizonte. La energía del muón medida es de 120 petaelectronvoltios (PeV) con una incertidumbre de +110 PeV a −60 PeV. ^{[ 25 ]} Dada la energía enormemente alta y su dirección casi horizontal, lo más probable es que el muón se originara a partir de la interacción de un neutrino cósmico de energía aún mayor en las proximidades del detector. La energía del neutrino que produce tales muones en el detector ARCA se estima en 220 PeV (0,035 J). KM3-230213A es el evento de neutrino de mayor energía observado hasta la fecha. ^{[ 26 ]}

La enorme energía sugiere que el neutrino podría haberse originado en un acelerador cósmico distinto al de los neutrinos de menor energía, o que esta podría ser la primera detección de un neutrino cosmogénico, proveniente de las interacciones de rayos cósmicos de ultra alta energía con fotones de fondo en el Universo, ^{[ 26 ]} o de la evaporación de un agujero negro primordial. ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} El evento también podría proporcionar evidencia de neutrinos estériles . ^{[ 30 ]}

En 2006, KM3NeT se incluyó en la hoja de ruta del Foro Estratégico Europeo sobre Infraestructura de Investigación (ESFRI), que reconoce como prioridad la infraestructura de investigación KM3NeT para las necesidades científicas de Europa durante los próximos 10-20 años. El Consejo de la Unión Europea renovó el apoyo para el período 2019-2026, lo que permitió, por ejemplo, lanzar el proyecto KM3NeT-INFRADEV2 (2023-2025) para la plena implementación de la infraestructura de investigación KM3NeT. ^{[ 31 ]}

KM3NeT se ha beneficiado de diversas fuentes de financiación a través de los programas europeos de investigación e innovación, incluidos Horizonte 2020 y Horizonte Europa . Asimismo, la puesta en marcha de las instalaciones de KM3NeT también se ha beneficiado de la financiación del Fondo Europeo de Desarrollo Regional ( FEDER ), lo que confirma el potencial económico, social y territorial de KM3NeT a nivel regional.

KM3NeT participó en numerosos proyectos europeos, liderados por socios de la Colaboración. KM3NeT forma parte de la red EMSO , proporcionando acceso a largo plazo para la investigación en ciencias de la Tierra y del mar. KM3NeT participó en el proyecto ASTERICS ^{[ 32 ]} y sigue participando en la iniciativa europea EOSC para la Ciencia Abierta, así como en el proyecto relacionado ESCAPE ^{[ 33 ]} . KM3NeT también participa en la ciencia ciudadana a través del proyecto REINFORCE ^{[ 34 ] .}

Junto con ANTARES , Baikal , IceCube , P-ONE y RNO-G , KM3NeT forma parte de la Red Global de Neutrinos. ^{[ 35 ]}