Cada segon, milers de milions de partícules procedents del Sol travessen el nostre cos sense que ens n'adonem. Són neutrins, unes partícules extraordinàriament petites que poden recórrer enormes distàncies i travessar la Terra gairebé sense interactuar amb la matèria. La seva presència és constant, però detectar-les continua sent un dels grans desafiaments de la física.
A l'Antàrtida, un observatori enterrat sota el gel ha aconseguit registrar neutrins procedents de regions llunyanes de l'univers amb energies aproximadament 10.000 milions de vegades superiors a les d'un neutrí solar típic. Aquestes partícules permeten investigar alguns dels esdeveniments més extrems del cosmos, tot i que els científics encara no saben d'on procedeixen molts dels exemplars detectats.
L'instrument es diu IceCube i utilitza un enorme volum de gel del Pol Sud per identificar el pas d'aquestes partícules. La seva importància ha quedat reflectida en el Premi Nobel de Física del 2026, concedit a Francis Halzen per les seves contribucions al desenvolupament de l'observatori i al descobriment de neutrins astrofísics d'alta energia. Ara, una explicació científica de la Universitat de Califòrnia a San Diego repassa què fa tan especials aquestes troballes i per què continuen plantejant tantes preguntes.
Què són els neutrins i per què travessen gairebé qualsevol material
Els neutrins són partícules elementals que no tenen càrrega elèctrica i posseeixen una massa extremament petita. Els científics coneixen tres tipus, denominats electrònics, muònics i teutònics, tot i que encara no han aconseguit determinar amb precisió les seves masses ni explicar completament d'on procedeixen.
La seva característica més cridanera és que interactuen molt poques vegades amb altres partícules. Això els permet travessar grans quantitats de matèria sense ser absorbits ni desviar-se de forma apreciable, una propietat per la qual s'han guanyat el sobrenom de partícules fantasma.
El Sol produeix neutrins contínuament mitjançant les reaccions nuclears que tenen lloc dins. Segons les estimacions citades per la Universitat de Califòrnia a San Diego, al voltant de 100.000 milions d'aquestes partícules travessen cada segon una superfície d'un centímetre quadrat, sense que puguem percebre el seu pas.
Però també arriben neutrins des de regions molt més llunyanes. Alguns s'originen en explosions d'estrelles i altres processos astrofísics de gran energia, mentre que la procedència exacta de molts continua sent desconeguda. A diferència de la llum, aquestes partícules poden fugir d'entorns molt densos i transportar informació sobre fenòmens difícils d'observar directament.
La idea de la seva existència va aparèixer el 1930, quan el físic Wolfgang Pauli va proposar que una partícula desconeguda podia explicar una aparent pèrdua d'energia durant determinats processos radioactius. La hipòtesi va trigar més de dues dècades a confirmar-se: el 1956, Clyde Cowan i Frederick Reines van aconseguir detectar experimentalment neutrins.
Des de llavors, aquestes partícules s'han convertit en una eina fonamental per estudiar tant les estrelles com l'evolució de l'univers. La seva presència durant les primeres etapes del cosmos també influeix en les prediccions dels models cosmològics. De fet, un recent mesurament de l'heli format durant els primers minuts posteriors al Big Bang ha permès establir noves restriccions sobre les partícules que existien llavors.
IceCube utilitza un quilòmetre cúbic de gel per trobar partícules fantasma
La dificultat de detectar neutrins va obligar els investigadors a buscar un lloc on poguessin observar un volum enorme de matèria. Com més gran és aquest volum, més possibilitats hi ha que alguna d'aquestes partícules produeixi una interacció que pugui registrar-se.
Francis Halzen i els seus col·laboradors van trobar una solució al Pol Sud. Sota la superfície de l'Antàrtida, el gel és prou transparent per a permetre que uns sensors especials detectin petits centelleigs de llum. Sobre aquesta idea es va construir IceCube, un observatori que utilitza aproximadament un quilòmetre cúbic de gel com a part del seu detector.
Per posar-lo en funcionament, els investigadors van perforar el gel i van instal·lar llargues cadenes de sensors òptics a profunditats que superen els dos quilòmetres. Els instruments romanen enterrats i registren els senyals lluminosos produïts quan un neutrí interactua ocasionalment amb els àtoms del gel.
El fenomen que permet observar-les es coneix com a radiació de Cherenkov. Quan una d'aquestes interaccions genera una partícula amb càrrega elèctrica, aquesta pot desplaçar-se més ràpid que la llum dins del gel i produir una breu resplendor blavosa.
Això no significa que se superi la velocitat de la llum al buit. La llum viatja més a poc a poc quan travessa determinats materials, com l'aigua o el gel, i una partícula carregada pot moure's més ràpid que ella dins d'aquest medi sense contradir les lleis de la relativitat.
Els sensors d'IceCube registren la intensitat dels esclats i el moment en què apareixen. A partir d'aquestes dades, els investigadors poden estimar l'energia del neutrino i reconstruir la direcció des de la qual va arribar, encara que la precisió varia segons les característiques de cada interacció.
Aquesta capacitat ha permès desenvolupar una forma d'astronomia que no depèn exclusivament de la radiació electromagnètica. Els telescopis tradicionals observen l'univers mitjançant diferents formes de llum, mentre que IceCube estudia partícules capaces d'escapar de regions on aquesta radiació pot quedar atrapada o ser absorbida.
Entre els llocs que interessen els científics hi ha els entorns de forats negres actius i altres objectes capaços d'alliberar enormes quantitats d'energia. Les observacions de forats negres supermassius en les primeres etapes de l'univers mostren la diversitat d'aquests sistemes, si bé encara no totes les fonts de neutrinos còsmics han pogut identificar-se.
Els neutrinos més energètics podrien revelar fenòmens desconeguts
Els neutrinos que arriben des de l'espai profund són molt diferents dels que produeix habitualment la nostra estrella. Mentre que els neutrinos solars tenen energies relativament baixes, alguns dels registrats a IceCube assoleixen valors extraordinaris i són molt menys freqüents.
George Fuller, professor de Física de la Universitat de Califòrnia a San Diego, explica que alguns neutrinos d'energia extremament alta detectats per IceCube transporten al voltant de 10.000 milions de vegades més energia que un neutrino solar típic. No es tracta de partícules més grans, sinó d'una diferència enorme en l'energia que porten amb si.
Fuller també esmenta un neutrino registrat per un altre experiment similar l'energia del qual va ser unes 200 vegades superiors a la d'aquests esdeveniments d'IceCube. El seu origen encara es desconeix, però la troballa mostra que existeixen processos còsmics capaços de generar partícules amb energies difícils d'explicar.
Un dels avantatges dels neutrins és que, com no tenen càrrega elèctrica, no pateixen les desviacions provocades pels camps magnètics que afecten altres partícules. Per això, la seva direcció d'arribada pot ajudar a localitzar els llocs on es van produir, encara que les limitacions de les mesures no sempre permeten identificar una font concreta.
Els investigadors estudien especialment els voltants de forats negres actius, les explosions estel·lars i altres entorns on les partícules poden accelerar-se a velocitats properes a la de la llum. En determinades condicions, les seves interaccions generen neutrins que viatgen durant milions o milers de milions d'anys abans d'arribar a la Terra.
L'interès científic també arriba a les primeres etapes de l'univers. Al desert d'Atacama, a Xile, l'Observatori Simons estudia la radiació còsmica de fons, un senyal que conserva informació de quan el cosmos tenia aproximadament 380.000 anys. Les seves mesures poden ajudar a investigar les propietats dels neutrins presents durant aquella època.
Es tracta d'una línia de recerca diferent de la desenvolupada per IceCube. Mentre l'observatori antàrtic detecta neutrins d'alta energia produïts en processos astrofísics, els instruments que estudien l'univers primitiu busquen senyals indirectes de com aquestes partícules van influir en la seva evolució.
La radiació còsmica de fons també serveix per investigar la forma i l'evolució de l'univers, de manera que les seves mesures complementen les obtingudes mitjançant altres tècniques astronòmiques. Combinar diferents tipus d'observacions permet comprovar les prediccions dels models físics des de perspectives diferents.
Ara per ara, un dels grans interrogants continua sent quins fenòmens produeixen els neutrins més energètics registrats a la Terra. IceCube ha demostrat que és possible detectar aquestes partícules i estudiar-ne la procedència, però identificar els llocs exactes on neixen continua sent una tasca complexa.
Cada detecció aporta una nova pista sobre els processos que tenen lloc a les regions més extremes del cosmos. I gràcies a un observatori enterrat sota el gel de l'Antàrtida, els científics poden investigar esdeveniments que van ocórrer a distàncies enormes sense dependre únicament de la llum que arriba fins als nostres telescopis.