El análisis de más de 5 800 neutrinos atmosféricos registrados a más de 2 000 metros de profundidad fija nuevos límites experimentales sobre cómo la física cuántica podría modificar la estructura del espacio-tiempo.
Son las leyes de la física exactamente las mismas en cualquier punto de dirección del universo? Esta premisa fundamental, conocida formalmente como el principio de invariancia de Lorentz, constituye uno de los pilares angulares de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein. Sin embargo, diversas teorías modernas que intentan reconciliar la gravedad con la mecánica cuántica sugieren que este principio podría violarse en las escalas más extremas. Para comprobarlo, el equipo de la colaboración internacional KM3NeT ha descendido hasta las profundidades del mar Mediterráneo en busca de pequeñas grietas en la física tradicional.
Un nuevo estudio, publicado esta semana en la revista Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, ha analizado 5 828 eventos candidatos a neutrinos atmosféricos detectados por el telescopio submarino KM3NeT/ORCA. Aunque los científicos no han encontrado evidencias de que la invariancia de Lorentz se rompa, las mediciones han permitido establecer los límites experimentales más precisos hasta la fecha para restringir estas posibles desviaciones, incluyendo las primeras restricciones directas sobre el comportamiento entre neutrinos muónicos y tauónicos.
Un espacio-tiempo continuo o pixelar
La búsqueda de anomalías en las leyes físicas responde a una de las grandes preguntas (todavía sin respuesta) de la ciencia contemporánea: la naturaleza del propio tejido del cosmos. “Todavía no sabemos si nuestro espacio-tiempo es continuo o si podría estar compuesto por unidades discretas muy pequeñas”, explica Alba Domi, investigadora del Centro Erlangen para la Física de Astropartículas (ECAP) en la Universidad Friedrich-Alexander de Erlangen-Nürnberg y coautora principal del trabajo. “Buscar violaciones de la invariancia de Lorentz es una forma de explorar esta posibilidad”.
Para llevar a cabo la prueba, los investigadores utilizaron neutrinos, partículas subatómicas extremadamente ligeras que apenas interactúan con la materia, lo que les permite atravesar el planeta entero sin desviarse. A medida que viajan, los neutrinos experimentan un fenómeno llamado oscilación, transformándose de un tipo o ‘sabor’ a otro (electrónico, muónico o tauónico). Como las probabilidades de esta metamorfosis están calculadas con enorme precisión teórica, cualquier desviación en las tasas de oscilación observadas serviría como delator de una nueva física.
Análisis con un detector en fase inicial
Los datos analizados corresponden a 1,4 años de registros obtenidos con las primeras seis unidades de detección de KM3NeT/ORCA, instaladas a unos 2 450 metros de profundidad frente a las costas de Tolón (Francia). Al comparar las energías registradas y la dirección de llegada de los neutrinos atmosféricos con las predicciones del modelo estándar, los resultados mostraron un acuerdo pleno con la relatividad general.
A pesar de haber sido obtenidos durante las fases iniciales del telescopio, los límites fijados por la colaboración igualan en precisión a los de experimentos consolidados y con décadas de trayectoria como IceCube, ubicado en el Polo Sur, o Super-Kamiokande, en Japón.
“Estos resultados demuestran el potencial de KM3NeT/ORCA para poner a prueba principios fundamentales de la física, incluso utilizando un detector relativamente pequeño”, señala Lukas Hennig, investigador de doctorado en el ECAP y coautor del artículo. “Con más datos y a medida que el detector continúe expandiéndose, seremos capaces de buscar efectos todavía más sutiles”.
El futuro de la astronomía de neutrinos
La infraestructura de KM3NeT consta de dos detectores complementarios en el fondo marino: ORCA, optimizado para medir neutrinos atmosféricos de baja energía y estudiar sus oscilaciones, y ARCA, situado a 3 500 metros de profundidad en la costa de Sicilia (Italia) para captar neutrinos de muy alta energía procedentes del espacio profundo.
En las siguientes fases del proyecto, los físicos planean extender estas búsquedas a las observaciones de ARCA. Las fuentes astrofísicas lejanas ofrecen una oportunidad única, ya que las hipotéticas violaciones de la invariancia de Lorentz se acentúan a lo largo de distancias cósmicas masivas y a energías elevadas. “ARCA podría estar especialmente capacitado para este tipo de investigaciones a medida que acumulemos una muestra mayor de neutrinos astrofísicos”, concluye Domi.
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