Jaime Álvarez-Muñiz obtén unha Synergy Grant para un novo experimento de detección de neutrinos

Jaime Álvarez-Muñiz, investigador do IGFAE, acaba de obter unha Synergy Grant na convocatoria do Consello Europeo de Investigación (ERC), que financia propostas científicas ambiciosas e desenvolvidas en colaboración entre persoal de distintas institucións. O proxecto HERON (Hybrid Elevated Radio Observatory for Neutrinos) recibirá 14 millóns de euros co obxectivo de detectar os neutrinos de enerxía ultra-alta, unhas das partículas máis fuxidías e enerxéticas do cosmos.

A base da idea é a de abrir unha nova xanela á observación do Universo mediante a construción dun novo observatorio nunha zona montañosa na provincia arxentina de San Juan, preto dos Andes. HERON será o instrumento máis sensible do mundo para a detección destes neutrinos ultraenerxéticos. Ademais do IGFAE, en HERON participarán centros de investigación de Francia (Institut d’Astrophysique de Paris e Université Sorbonne) e os Estados Unidos (Pennsylvania State University), xunto co apoio local da Comisión Nacional da Enerxía Atómica (CNEA) da Arxentina.

O gran misterio das “partículas pantasma”

A detección dos neutrinos é un dos principais retos da astrofísica. Son partículas elementais moi especiais e distintas ás demais, xa que non teñen carga eléctrica, a súa masa é ínfima e apenas interaccionan co resto da materia. Por isto poden atravesar galaxias, estrelas e planetas sen chocar con nada nin desintegrarse. Son coñecidas, deste xeito, como as “partículas pantasma”.

En concreto, os neutrinos de enerxía ultra-alta proceden dalgúns dos fenómenos máis violentos do universo, como as explosións de estrelas, as colisións de estrelas de neutróns ou os chorros dos buracos negros. A estas enerxías, crese que os neutrinos se producen nas súas fontes a partir das interaccións dos raios cósmicos, partículas cargadas que bombardean a Terra en todas as direccións, e que son detectadas en experimentos como o Observatorio Pierre Auger, tamén situado na Arxentina, e no que tamén participa o IGFAE.

A detección e análise deste tipo de neutrinos podería ofrecer información moi importante sobre a orixe destes eventos extremos. Porén, para isto requírense detectores xigantes, capaces de observar grandes áreas onde poidan producirse interaccións de neutrinos, dado que o seu fluxo e a súa probabilidade de interacción son moi baixas.

HERON: unha nova era na astrofísica

Neste contexto, HERON está chamado a dar un paso máis, xa que terá unha sensibilidade entre 10 e 20 veces maior do que calquera experimento actual. O observatorio proxectado na Arxentina estará formado por unha rede de antenas situadas ao longo de 72 quilómetros, que observarán o breve destello de radio que os neutrinos poden producir cando impactan na codia terrestre, en especial aqueles cunha enerxía por riba de 10¹⁷ electrónvoltios (eV).

As antenas de HERON operarán no rango de frecuencias de decenas a centos de megahertzs (MHz), semellantes ás da frecuencia modulada (FM), pero coa capacidade de detectar sinais extremadamente breves, de decenas de nanosegundos. Este método xa demostrou a súa eficacia en experimentos como BEACON ou GRAND, nos que participou o mesmo equipo que agora acadou a Synergy Grant.

Outra das vantaxes de HERON é que o sistema de antenas, sinxelo e rendible, pode estenderse durante vastas superficies de terreo, maximizando a extensión na que observar posibles interaccións de neutrinos.

Este novo experimento tamén se integrará na rede global de observatorios de astronomía multimensaxeiro, en coordinación con detectores de ondas gravitacionais, raios gamma e outros tipos de neutrinos. A posibilidade de obter información de fenómenos astrofísicos a través de diversas sinais está a abrir nos últimos anos enormes posibilidades na exploración do universo.

“Desde hai máis de 25 anos, o equipo de Física de Astropartículas do IGFAE está á vangarda no estudo da detección de raios cósmicos e neutrinos de enerxía ultra-alta, sendo pioneiro do desenvolvemento de modelos que describen como interaccionan os neutrinos tau dentro da Terra, como emerxen as partículas tau resultantes e producen fervenzas de partículas na atmosfera, e como estas fervenzas se desenvolven, xerando sinais de radio que poden detectarse con antenas desde varios quilómetros de distancia”, resume Jaime Álvarez-Muñiz.

Neste marco, ”as capacidades do equipo do IGFAE serán esenciais no deseño final e optimización de HERON, así como para comprender os seus futuros datos, axudando a reconstruír as propiedades dos neutrinos que se detecten, e distinguilos dos raios cósmicos, moito máis abundantes”, destaca o investigador. As ferramentas e modelos de simulación desenvolvidas no IGFAE xa desempeñaron un papel clave nos experimentos de detección de partículas de moi alta enerxía, o que aplanou o camiño para a proposta de HERON.

O equipo de HERON

Jaime Álvarez-Muñiz, Stephanie Wissel, Kumiko Kotera e Olivier Martineau son os investigadores principais de HERON.

Ademais de Jaime Álvarez e o seu equipo no IGFAE, HERON reúne catro investigadores principais e os seus respectivos grupos. Coordina o proxecto a astrofísica Kumiko Kotera, do Institut d’Astrophysique de Paris, pertencente ao Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) de Francia, e conta tamén como investigadores principais con Stephanie Wissel (Pennsylvania State University, Estados Unidos) e Olivier Martineau, da Université Sorbonne de París.

Jaime Álvarez-Muñiz

Jaime Álvarez-Muñiz licenciouse en Física pola USC en 1994, e obtivo o seu doutoramento en física de astropartículas en 1999. Realizou estadías posdoutorais na universidade de Wisconsin-Madison e no Instituto de Investigación Bartol da Universidad de Delaware, nos Estados Unidos, antes de regresar á USC como investigador Ramón y Cajal en 2004.  Converteuse en profesor titular en 2010, e en catedrático en 2023.

A súa investigación céntrase na física de astropartículas, en concreto nos raios cósmicos de ultra-alta enerxía (UHECR) e os neutrinos, co obxectivo de identificar as fontes, a natureza e os mecanismos de aceleración destas partículas, froito dos fenómenos astrofísicos máis extremos. É membro da colaboración Pierre Auger, un observatorio de detección de raios cósmicos situado na Arxentina, codirixindo desde 2008 as tarefas de análise de neutrinos, e tamén participou en numerosas iniciativas experimentais para a utilización de ondas de radio na detección de partículas cósmicas de moi altas enerxías.

Durante a súa carreira publicou preto de 200 artigos, supervisou sete teses de doutoramento, con outras tres en curso, e realizou máis de 50 presentacións en conferencias internacionais. Foi investigador principal de diversos estatais e rexionais, e coordina a área de investigación de Partículas Cósmicas e Física Fundamental no IGFAE.

Sobre a convocatoria Synergy Grant

A convocatoria Synergy Grant é unha das máis prestixiosas liñas de financiamento do Consello Europeo de Investigación (ERC). En concreto, fomenta a colaboración entre equipos investigadores de alto nivel en distintos países, permitíndolle combinar o seu coñecemento, experiencia e recursos para ampliar os límites das descubertas científicas.

Sobre o IGFAE

O Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE), é un centro de investigación creado en 1999 pola Universidade de Santiago de Compostela e a Xunta de Galicia. Naceu co obxectivo de coordinar e fomentar a investigación científica e técnica nos campos da Física de Alta Enerxía, Partículas e Nuclear, e áreas relacionadas como a Astrofísica, a Física Médica ou a Instrumentación. Acolle a arredor de 140 persoas que participan en instalacións experimentais como o CERN, o Observatorio Pierre Auger, LIGO ou GSI/FAIR, entre outras.

O centro foi acreditado en dúas ocasións (2017 e 2023) como Unidade de Excelencia María de Maeztu por parte da Axencia Estatal de Investigación do Goberno de España. Tamén forma parte da rede CIGUS da Xunta de Galicia, que acredita a calidade e o impacto da súa investigación. Está cofinanciado pola Unión Europea a través do Programa Galicia Feder 2021-2027.