El investigador del IGFAE Jaime Álvarez-Muñiz obtiene una Synergy Grant para un nuevo experimento de detección de neutrinos

Jaime Álvarez-Muñiz, investigador del Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE), centro mixto de la Universidade de Santiago de Compostela y la Xunta de Galicia, acaba de obtener una Synergy Grant en la convocatoria del Consejo Europeo de Investigación (ERC), que financia propuestas científicas ambiciosas y desarrolladas en colaboración entre personal de distintas instituciones. El proyecto HERON (Hybrid Elevated Radio Observatory for Neutrinos) recibirá 14 millones de euros con el objetivo de detectar los neutrinos de energía ultra-alta, unas de las partículas más huidizas y energéticas del cosmos.

La base de la idea es abrir una nueva ventana a la observación del Universo mediante la construcción de un nuevo observatorio en una zona montañosa en la provincia argentina de San Juan, cerca de los Andes. HERON será el instrumento más sensible del mundo para la detección de estos neutrinos ultraenergéticos. Además del IGFAE, en HERON participarán centros de investigación de Francia (Institut d’Astrophysique de Paris y Université Sorbonne) y los Estados Unidos (Pennsylvania State University), junto con el apoyo local de la Comisión Nacional de la Energía Atómica (CNEA) de Argentina.

El gran misterio de las “partículas fantasma”

La detección de los neutrinos es uno de los principales retos de la astrofísica. Son partículas elementales muy especiales y distintas a las demás, ya que no tienen carga eléctrica, su masa es ínfima y apenas interaccionan con el resto de la materia. Por esto pueden atravesar galaxias, estrellas y planetas sin chocar con nada ni desintegrarse. Por ello son conocidas como las “partículas fantasma”.

En concreto, los neutrinos de energía ultra-alta proceden de algunos de los fenómenos más violentos del universo, como las supernovas, las colisiones de estrellas de neutrones o los chorros de los agujeros negros. A estas energías, se cree que los neutrinos se producen en sus fuentes a partir de las interacciones de los rayos cósmicos, partículas cargadas que bombardean la Tierra en todas direcciones, y que son detectadas en experimentos como el Observatorio Pierre Auger, también situado en Argentina, y en el que también participa el IGFAE.

La detección y análisis de este tipo de neutrinos podría ofrecer información muy importante sobre el origen de estos eventos extremos. Sin embargo, para esto se necesitan detectores gigantes, capaces de observar grandes áreas donde puedan producirse interacciones de neutrinos, dado que su flujo y su probabilidad de interacción son muy bajas.

HERON: una nueva era en la astrofísica

En este contexto, HERON está llamado a dar un paso más, ya que tendrá una sensibilidad entre 10 y 20 veces mayor que cualquier experimento actual. El observatorio proyectado en Argentina estará formado por una red de antenas ubicadas a lo largo de 72 kilómetros, que observarán el breve destello de radio que los neutrinos pueden producir cuando impactan en la corteza terrestre, en especial aquellos con una energía por encima de 10¹⁷ electrónvoltios (eV).

Las antenas de HERON operarán en el rango de frecuencias de decenas a centenares de megahercios (MHz), semejantes a las de la frecuencia modulada (FM), pero con la capacidad de detectar señales extremadamente breves, de decenas de nanosegundos. Este método ya ha demostrado su eficacia en experimentos como BEACON o GRAND, en los que participa el mismo equipo que ahora ha conseguido la Synergy Grant.

Otra de las ventajas de HERON es que el sistema de antenas, sencillo y rentable, puede instalarse en vastas superficies de terreno, maximizando la extensión en la que observar posibles interacciones de neutrinos.

Este nuevo experimento también se integrará en la red global de observatorios de astronomía multimensajero, en coordinación con detectores de ondas gravitacionales, rayos gamma y otros tipos de neutrinos. La posibilidad de obtener información de fenómenos astrofísicos a través de diversas señales está abriendo en los últimos años enormes posibilidades en la exploración del universo.

Este nuevo experimento también se integrará en la red global de observatorios de astronomía multimensajero, en coordinación con detectores de ondas gravitacionales, rayos gamma y otros tipos de neutrinos. La posibilidad de obtener información de fenómenos astrofísicos a través de diversas señales está abriendo en los últimos años enormes posibilidades en la exploración del universo.

“Desde hace más de 25 años, el equipo de Física de Astropartículas del IGFAE está a la vanguardia en el estudio de la detección de rayos cósmicos y neutrinos de energía ultra-alta, siendo pionero del desarrollo de modelos que describen como interaccionan los neutrinos tau dentro de la Tierra, como emergen las partículas tau resultantes y producen cascadas de partículas en la atmósfera, y como estas cascadas se desarrollan, generando señales de radio que pueden detectarse con antenas desde varios kilómetros de distancia”, resume Jaime Álvarez-Muñiz.

En este marco, ”las capacidades del equipo del IGFAE serán esenciales en el diseño final y optimización de HERON, así como para comprender sus futuros datos, ayudando a reconstruir las propiedades de los neutrinos que se detecten, y distinguirlos de los rayos cósmicos, mucho más abundantes”, destaca el investigador. Las herramientas y modelos de simulación desarrolladas en el IGFAE ya desempeñaron un papel clave en los experimentos de detección de partículas de muy alta energía, lo que aplanou el camino para la propuesta de HERON.

El equipo de HERON

Jaime Álvarez-Muñiz, Stephanie Wissel, Kumiko Kotera y Olivier Martineau son los investigadores principales de HERON.

Además de Jaime Álvarez y su equipo en el IGFAE, HERON reúne cuatro investigadores principales y sus respectivos grupos. Coordina el proyecto a astrofísica Kumiko Kotera, del Institut d’Astrophysique de Paris, perteneciente al Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) de Francia, y cuenta también como investigadores principales con Stephanie Wissel (Pennsylvania State University, Estados Unidos) y Olivier Martineau, de la Université Sorbonne de París.

Jaime Álvarez-Muñiz

Jaime Álvarez-Muñiz se licenció en Física por la USC en 1994, y obtuvo su doctorado en física de astropartículas en 1999. Realizó estancias posdoutorales en la universidad de Wisconsin-Madison y en el Instituto de Investigación Bartol de la Universidad de Delaware, en los Estados Unidos, antes de regresar a la USC como investigador Ramón y Cajal en 2004.  Se convirtió en profesor titular en 2010, y en catedrático en 2023.

Su investigación se centra en la física de astropartículas, en concreto en los rayos cósmicos de ultra-alta energía (UHECR) y los neutrinos, con el objetivo de identificar las fuentes, la naturaleza y los mecanismos de aceleración de estas partículas, fruto de los fenómenos astrofísicos más extremos. Es miembro de la colaboración Pierre Auger, un observatorio de detección de rayos cósmicos situado en la Argentina, codirigiendo desde 2008 las tareas de análisis de neutrinos, y también participó en numerosas iniciativas experimentales para la utilización de ondas de radio en la detección de partículas cósmicas de muy altas energías.

Durante su carrera ha publicado cerca de 200 artículos, supervisado siete tesis de doctorado -con otras tres en curso- y realizado más de 50 presentaciones en conferencias internacionales. Ha sido investigador principal de diversos estatales y regionales, y coordina el área de investigación de Partículas Cósmicas y Física Fundamental en el IGFAE.

Sobre la convocatoria Synergy Grant

La convocatoria Synergy Grant es una de las más prestigiosas líneas de financiación del Consejo Europeo de Investigación (ERC). En concreto, fomenta la colaboración entre equipos investigadores de alto nivel en distintos países, permitiéndole combinar su conocimiento, experiencia y recursos para ampliar los límites de los descubrimientos científicos.

En esta convocatoria, el ERC ha seleccionado 66 propuestas en toda Europa, que recibirán un total de 684 millones de euros. Además de Jaime Álvarez-Muñiz, la USC ha obtenido otra Synergy Grant de la mano de Javier Montenegro, investigador del CiQUS, con el proyecto CARAMEL.

Sobre el IGFAE

El Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE), es un centro de investigación creado en 1999 por la Universidade de Santiago de Compostela y la Xunta de Galicia. Nació con el objetivo de coordinar y fomentar la investigación científica y técnica en los campos de la Física de Alta Energía, Partículas y Nuclear, y áreas relacionadas como la Astrofísica, la Física Médica o la Instrumentación. Acoge a alrededor de 140 personas que participan en instalaciones experimentales como el CERN, el Observatorio Pierre Auger, LIGO o GSI/FAIR, entre otras, y cuenta igualmente con grupos de relevancia internacional en física teórica.

El centro ha sido acreditado en dos ocasiones (2017 y 2023) como Unidad de Excelencia María de Maeztu por parte de la Agencia Estatal de Investigación del Gobierno de España. También forma parte de la red CIGUS de la Xunta de Galicia, que acredita la calidad y el impacto de su investigación. Está cofinanciado por la Unión Europea a través del Programa Galicia Feder 2021-2027.