El protón: padre de los neutrinos y de los rayos gamma

Uno de los telescopios MAGIC en La Palma. / Crédito: Robert Wagner/MAGIC Collaboration.

Los telescopios MAGIC encuentran el origen de un neutrino cósmico

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Por primera vez se ha localizado la fuente de un neutrino cósmico proveniente de fuera de la Vía Láctea. El neutrino proviene, muy probablemente, de un agujero negro activo en el centro de una galaxia en la constelación de Orión. En la investigación, publicada en Science, ha participado la UAB y el IFAE.

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Aunque son difíciles de detectar, los neutrinos son mensajeros cósmicos importantes ya que traen consigo información excepcional sobre las regiones donde son producidos

UAB / Los neutrinos son partículas elementales que prácticamente no interaccionan con el mundo que nos rodea. Aunque son difíciles de detectar, los neutrinos son mensajeros cósmicos importantes ya que traen consigo información excepcional sobre las regiones donde son producidos.

El mayor detector especializado en cazar estas partículas elusivas es IceCube, situado en el Polo Sur. Detecta unos 200 neutrinos por día, sin embargo, la mayoría son de baja energía y son producidos por rayos cósmicos que interaccionan con la atmósfera terrestre.

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Un neutrino que desencadenó observaciones multi-mensajero

El 22 de septiembre de 2017 IceCube detectó un neutrino que era especial: su muy alta energía (aproximadamente 290 billones de electronvoltios) indicaba que la partícula se podría haber originado en un objeto celeste lejano. Los científicos también pudieron determinar su dirección de llegada con alta precisión.

“La teoría predice que la emisión de neutrinos está acompañada por la emisión de partículas de la luz, también llamadas fotones”, explica Razmik Mirzoyan, portavoz de la colaboración MAGIC y científico del Instituto Max Planck de Física. “Los fotones son radiación electromagnética que puede detectarse con telescopios”. Por eso, la alerta del neutrino fue enviada a numerosos instrumentos con la esperanza de que sus observaciones pudiesen discernir el origen de la fuente del neutrino.

El 22 de septiembre de 2017 IceCube detectó un neutrino que era especial

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De hecho, Fermi-LAT, un observatorio espacial que estudia todo el cielo, comunicó que la dirección del neutrino estaba alineada con una fuente de rayos gamma (fotones de alta energía) en estado activo: el blazar TXS 0506+056. Además, MAGIC, dos telescopios de 17 metros que detectan rayos gamma de altas energías desde la tierra, descubrió que la radiación del blazar alcanza energías de al menos 500 mil millones de electronvoltios.

Estos hallazgos combinados con la dirección del neutrino hacen que el blazar sea un candidato probable para la fuente de neutrinos. TXS 0506+056 es un núcleo activo de galaxia, a una distancia de 4500 millones de años luz de la Tierra. Alberga un agujero negro super-masivo que emite jets (“chorros”) – un flujo de partículas y radiación energética que se mueven casi a la velocidad de la luz.

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Un rastro de la radiación cósmica

Las observaciones pueden ayudar a resolver un viejo misterio: el hasta ahora desconocido lugar de nacimiento de la radiación cósmica, descubierta por el físico Victor Hess en 1912

Como la creación de los neutrinos está siempre asociada a interacciones de protones, las observaciones pueden ayudar a resolver un viejo misterio: el hasta ahora desconocido lugar de nacimiento de la radiación cósmica, descubierta por el físico Victor Hess en 1912. Los rayos cósmicos consisten mayoritariamente de protones de altas energías. “El neutrino cósmico nos dice que el blazar es capaz de acelerar protones a muy altas energías – y por eso podría ser una fuente de la radiación cósmica”, dice Elisa Bernardini, científica de DESY Zeuthen (Alemania).

Hay una razón por la cual las fuentes de rayos cósmicos son tan difíciles de encontrar. “Los protones de carga eléctrica positiva son desviados por los campos magnéticos en el espacio”, continúa Bernardini. “Por ésto no viajan en líneas rectas, no podemos ver la dirección de dónde vienen”. En cambio, los neutrinos y los fotones, al no tener carga eléctrica, viajan por el universo sin desviarse. Esto permite identificar los objetos astrofísicos en los que se originaron.

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Descendiente de protones en el jet

Sin embargo, todavía hay muchas preguntas en los procesos intrínsecos en los blazar. “Estamos investigando la localización dentro de la fuente y los mecanismos que permiten acelerar protones, convirtiéndose así en los progenitores tanto de los neutrinos como de los fotones de altas energías”, dice Mirzoyan. Un estudio con información adicional obtenida con los telescopios MAGIC proporciona posibles respuestas.

Después de la alerta los telescopios observaron el blazar durante 41 horas. Los datos indican que los protones están interactuando en el jet del blazar. “Incluso más, el resultado confirma que aparte del neutrino, los rayos gamma (fotones de alta energía) son producidos como mínimo parcialmente por protones de alta energía – y no por interacciones de otras partículas en el jet. Esta es la primera vez que podemos confirmar que tanto los neutrinos como los rayos gamma proceden del mismo progenitor, el protón”, añade Mirzoyan.

Los científicos encontraron una huella muy clara en el espectro de rayos gamma de altas energías proveniente de TXS 0506+056. “Vemos una pérdida de fotones en un cierto rango de energías lo que significa que deben haber sido absorbidos”, dice Bernardini. “Esta huella también implica que el neutrino de IceCube podría ser el resultado de la interacción de protones con los fotones dentro del jet del blazar”.

“Esta es la primera vez que podemos confirmar que tanto los neutrinos como los rayos gamma proceden del mismo progenitor, el protón”, añade Mirzoyan

“Este resultado corrobora una conexión genuina entre los mensajeros de distintas partículas: el neutrino y los fotones”, dice Mirzoyan. “La radiación gamma proporciona información sobre cómo funcionan las “centrales eléctricas” en los agujeros negros super-masivos: en particular, cómo se generan tan altas energías y qué procesos de la física de partículas tienen lugar”.

“El comité científico que propone las observaciones de MAGIC dió una prioridad muy alta a las alertas originadas por los telescopios de neutrinos, los interferómetros de ondas gravitacionales y las misiones espaciales para detectar Explosiones de Rayos Gamma. Con estas observaciones MAGIC está ya contribuyendo decisivamente a abrir las nuevas ventanas al universo”, dice Manel Martínez, Presidente del comité de asignación del tiempo de observación de MAGIC e Investigador del Instituto de Física de Altas Energías en el campus de la UAB.

“Este trabajo pionero de coordinación entre técnicas de observación del universo tan dispares en observatorios repartidos por todo el globo, en los lugares más extremos, abre una nueva era en la detección de los mensajeros cósmicos, iniciando así una nueva perspectiva en el conocimiento multidimensional del Cosmos”, añade María Victoria Fonseca, Presidenta de la Junta de la Colaboración MAGIC y Catedrática de la Universidad Complutense de Madrid.

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Los telescopios MAGIC

Los dos telescopios Cherenkov MAGIC están localizados en el Observatorio del Roque de los Muchachos. La comunidad española participa en MAGIC desde sus inicios a través de los siguientes centros de investigación públicos: el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), el Instituto de Física de Altas Energías (IFAE), el Departamento de Física de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), la Universidad de Barcelona (UB) y la Universidad Complutense de Madrid (UCM). Además, el centro de datos de MAGIC es el Port d’Informació Científica (PIC), una colaboración del IFAE y el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT).

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