Los neutrinos nos cuentan una historia nueva sobre el universo

Durante décadas, los astrónomos han observado el cosmos con luz: primero la visible, luego las ondas de radio, los rayos X y los rayos gamma. Más recientemente, las ondas gravitacionales añadieron un sentido completamente nuevo. Y desde hace algo más de una década, disponemos de otro mensajero extraordinario: los neutrinos de alta energía procedentes de las profundidades del universo. Ahora, un nuevo resultado del observatorio IceCube ha añadido un capítulo crucial a esta historia. Tras analizar más de diez años de datos, los investigadores han publicado en la revista Physical Review Letters la evidencia más sólida hasta la fecha de que el flujo de esos neutrinos cósmicos no sigue el patrón simple que durante años habíamos dado por bueno. El espectro presenta una ruptura. Y esa ruptura importa más de lo que parece.

Los mensajeros más difíciles de atrapar

Los neutrinos son partículas subatómicas casi sin masa y sin carga eléctrica. Cada segundo, billones de ellos atraviesan nuestro cuerpo sin dejar el menor rastro. Esa indiferencia hacia la materia ordinaria los hace extraordinariamente valiosos para la astronomía: mientras la luz puede ser absorbida, desviada o bloqueada por el gas, el polvo o los campos magnéticos que llenan el espacio, los neutrinos viajan en línea recta desde su punto de origen hasta nuestros detectores. Son mensajeros casi perfectos del universo violento.

El problema es capturarlos. Para ello, los científicos construyeron IceCube, un detector único en su género situado en el Polo Sur. En lugar de un telescopio convencional, el experimento aprovecha un kilómetro cúbico completo de hielo antártico como medio de detección: más de 5.000 sensores ópticos están desplegados en 86 cables verticales, enterrados entre 1.450 y 2.450 metros bajo la superficie. Cuando un neutrino choca con un átomo del hielo (algo que ocurre rarísimas veces) produce una cascada de partículas que emite un destello de luz azulada, la llamada radiación de Cherenkov, que los sensores registran y los científicos analizan.

En 2013, IceCube anunció el primer descubrimiento inequívoco de neutrinos procedentes del espacio profundo, fuera de nuestra galaxia. Era el nacimiento oficial de la astronomía de neutrinos de alta energía.

El espectro de energías y la ley de potencias

Desde entonces, la pregunta fundamental ha sido: ¿cómo se distribuyen las energías de esos neutrinos cósmicos? La respuesta importa porque la energía de los neutrinos está directamente relacionada con los procesos físicos que los generaron. Conocer esa distribución permite inferir qué tipos de objetos astrofísicos dominan su producción.

Para poner las energías en perspectiva: un teraelectronvoltio (TeV) equivale a un billón de electronvoltios, que es la unidad básica de energía en física de partículas. El Gran Colisionador de Hadrones del CERN, el mayor acelerador de partículas construido por el ser humano, opera con energías de hasta 13 TeV por colisión. Los neutrinos detectados por IceCube llegan con energías que van de unos pocos TeV hasta 10.000 TeV, lo que equivale a decir que el universo dispone de aceleradores naturales incomparablemente más potentes que cualquier máquina humana.

Durante años, los datos de IceCube parecían compatibles con una descripción relativamente sencilla: la llamada ley de potencias, en la que el número de neutrinos disminuye de manera regular y predecible a medida que aumenta su energía. En un gráfico, esta ley dibuja una línea recta. Es el mismo tipo de relación matemática que describe muchos fenómenos naturales, desde los terremotos hasta la distribución del brillo de las estrellas. Era una descripción limpia y cómoda. Pero los datos nunca la encajaban del todo: había indicios persistentes (aunque no concluyentes) de que algo extraño ocurría alrededor de las decenas de teraelectronvoltios.

Diez años de datos de IceCube para resolver el misterio

El nuevo estudio representa el análisis más completo realizado hasta la fecha sobre el flujo difuso de neutrinos astrofísicos. Los investigadores combinaron dos conjuntos de datos independientes, recopilados durante más de una década: uno centrado en eventos de tipo traza (producidos por neutrinos de muón que dejan una estela luminosa larga y bien definida, lo que permite determinar con precisión la dirección de procedencia) y otro basado en eventos de tipo cascada (producidos por neutrinos de electrón y tau, que transfieren su energía en una región compacta y permiten una medición más precisa de la misma). La combinación de ambos tipos de eventos es la clave de la robustez del resultado, ya que cada uno compensa las debilidades del otro.

El veredicto es claro. El espectro de neutrinos astrofísicos no puede describirse con una única ley de potencias en todo el rango energético estudiado, que abarca desde 5 TeV hasta 10 PeV. La evidencia estadística supera los cuatro sigmas (en el lenguaje de la física de partículas, el umbral convencional que exige la comunidad científica para hablar de un descubrimiento firme; pero una cosa es hablar y otra afirmar, que eso para esto se necesitan cinco sigmas). El modelo que mejor describe los datos es el de una ley de potencias rota: por debajo de unas pocas decenas de TeV, el espectro es considerablemente más rico en neutrinos energéticos de lo que cabría esperar si se extrapolara la tendencia observada a energías más altas. A partir de ese punto, la caída se vuelve más pronunciada.

Si dibujamos el espectro en un gráfico, no obtendríamos una línea recta, sino dos tramos con inclinaciones distintas, unidos en torno a los 30 TeV. La pendiente a bajas energías es mucho menos pronunciada (es decir, hay relativamente más neutrinos energéticos de lo esperado) que la pendiente a altas energías.

¿Qué puede estar causando esta ruptura?

Una ruptura en el espectro de neutrinos cósmicos puede tener varias explicaciones, y los astrofísicos ya están debatiendo cuál es la más plausible.

La primera posibilidad es que el flujo difuso —que no procede de una sola fuente identificable, sino de la contribución conjunta de incontables aceleradores repartidos por todo el universo observable— sea en realidad la superposición de varias poblaciones de fuentes distintas. Los candidatos más estudiados incluyen los núcleos galácticos activos (AGN), regiones compactas en el centro de ciertas galaxias donde un agujero negro supermasivo acreta material a su alrededor con una luminosidad que puede superar en un billón de veces a la de nuestro Sol; las galaxias con formación estelar intensa, en las que los rayos cósmicos interaccionan densamente con el gas interestelar; y los remanentes de explosiones estelares. Si distintas poblaciones dominan en distintos rangos de energía, el resultado combinado podría producir exactamente la forma observada por IceCube.

La segunda posibilidad es que la ruptura refleje la física interna de los propios aceleradores: quizás los mecanismos de producción de neutrinos —que implican la colisión de partículas cargadas aceleradas con materia o con fotones— funcionan de manera diferente según la energía. Algunas teorías predicen incluso que interacciones con materia oscura podrían dejar una huella similar en el espectro.

Lo que el estudio sí permite descartar es que la estructura observada sea un artefacto de fuentes conocidas y relativamente cercanas. La contribución de la emisión del plano galáctico de la Vía Láctea y la del objeto individual más brillante detectado por IceCube hasta ahora —la galaxia activa NGC 1068, situada a unos 47 millones de años luz— resulta demasiado pequeña para explicar la forma global del espectro. Esto refuerza la idea de que estamos observando una propiedad colectiva e intrínseca de la población extragaláctica de fuentes de neutrinos.

Un rompecabezas que empieza a encajar

El hallazgo tiene también una conexión inesperada con otro gran enigma de la astrofísica de altas energías: la relación entre los neutrinos cósmicos y el fondo difuso de rayos gamma extragaláctico. Neutrinos y rayos gamma de alta energía suelen producirse conjuntamente en los mismos procesos hadrónicos, por lo que cualquier modelo que explique los neutrinos debe ser compatible con lo que observan los telescopios de rayos gamma. Durante años, algunos investigadores señalaron que extrapolar la ley de potencias simple de IceCube hacia energías más bajas generaba una tensión con el fondo de rayos gamma medido por el telescopio espacial Fermi. El nuevo espectro, al ser más duro a bajas energías —es decir, al tener relativamente menos neutrinos bajo los 30 TeV de lo que sugeriría la extrapolación simple—, podría aliviar en parte esa discrepancia. A veces un descubrimiento importante no consiste en encontrar algo completamente nuevo, sino en hacer que piezas aparentemente incompatibles comiencen a encajar.

El principio de una nueva etapa

Los investigadores reconocen que existe algún indicio adicional de estructuras más sutiles a energías todavía mayores, pero por ahora no alcanza significación estadística suficiente. Será necesario acumular más datos para decidir si se trata de una señal real o de una fluctuación estadística.

En cualquier caso, el resultado presentado marca un antes y un después. Durante los primeros años de la astronomía de neutrinos, el objetivo principal era simplemente demostrar que existían neutrinos extragalácticos y medir su flujo total. Después vino la identificación de las primeras fuentes individuales. Ahora la atención se desplaza hacia algo más ambicioso: usar el espectro de neutrinos como una herramienta de precisión para diseccionar las poblaciones de aceleradores cósmicos y los mecanismos físicos que operan en los entornos más extremos del universo.

Cuando IceCube detectó los primeros neutrinos astrofísicos en 2013, muchos científicos compararon el momento con el inicio de la astronomía óptica: la humanidad adquiría un sentido nuevo para explorar el cosmos. Trece años después, ese sentido se está volviendo más refinado. El universo no nos envía neutrinos siguiendo una pauta simple y uniforme. Hay estructura. Hay matices. Hay información escondida en la forma exacta del espectro. Y precisamente ahí reside el interés del descubrimiento: cada desviación respecto a una curva sencilla es una pista, cada irregularidad puede señalar una población desconocida de aceleradores cósmicos o un mecanismo físico que aún no comprendemos del todo. Los neutrinos siguen siendo las partículas más esquivas del universo. Pero, poco a poco, están aprendiendo a contar su historia. Y esa historia acaba de volverse bastante más interesante.

Referencia:

R. Abbasi et al. (IceCube Collaboration) (2026) Evidence for a Spectral Break or Curvature in the Spectrum of Astrophysical Neutrinos from 5 TeV to 10 PeV Physical Review Letters doi: 10.1103/2gh9-d4q7

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance