Los neutrinos son las partículas más desconocidas del modelo estándar. Los cuatro Premios Nobel de Física de 1988, 1995, 2002 y 2015, ya tienen un quinto. Francis Halzen (82 años), University of Wisconsin–Madison (Wisconsin, EE.UU.) recibe todo el galardón por sus contribuciones decisivas al Observatorio de Neutrinos IceCube y por el descubrimiento de los neutrinos de alta energía de origen astrofísico. Halzen concibió en 1988 que el hielo del Polo Sur podía usarse para detectar neutrinos. Su visión y su liderazgo científico fueron claves para el desarrollo del Observatorio de Neutrinos IceCube, un detector que instrumenta un kilómetro cúbico de hielo con fotomultiplicadoresIceCube inició la toma de datos en 2011 y desde encontes ha detectado muchos neutrinos de ultra alta energía (UHE) en los rayos cósmicos. Los neutrinos UHE se producen en los entornos astrofísicos que producen otras partículas de los rayos cósmicos. La diferencia es que los neutrinos nos llegan sin cambiar de dirección ni perder energía, lo que proporciona información sobre sus fuentes imposible de obtener de otro modo.
La idea de Halzen en 1988 fue aprovechar que la interacción neutrino–núcleo produce una partícula cargada secundaria cuya luz azul de Cherenkov puede registrarse con fotodetectores y cuya dirección permite reconstruir la del neutrino incidente. Los primeros módulos ópticos se introdujeron en el hielo antártico en 1992-1993, dando origen a AMANDA, cuyo desarrollo continuó hasta el año 2000; la excelente transparencia del hielo por debajo de unos 1400 m demostró la viabilidad de la técnica, aunque el volumen instrumentado era insuficiente para detectar con eficacia neutrinos cósmicos de muy alta energía. Esto llevó a IceCube, completado en 2011, que instrumenta 1 km³ de hielo mediante 5160 sensores ópticos distribuidos en 86 líneas, entre unos 1450 y 2450 m de profundidad. El reto experimental es separar los neutrinos astrofísicos del enorme fondo de muones y neutrinos atmosféricos; en 2013 IceCube publicó la primera evidencia de una población de neutrinos de alta energía incompatible con un origen atmosférico y, pocos años después, acumuló estadística suficiente para establecer su origen extraterrestre. Al ser neutros, los neutrinos no son desviados por campos magnéticos y, a diferencia de los fotones gamma, atraviesan grandes distancias y regiones densas sin absorción significativa, por lo que constituyen mensajeros privilegiados para localizar y estudiar los aceleradores cósmicos de partículas y nos han abierto la astronomía de neutrinos de alta energía.
El anuncio oficial del Nobel en YouTube, Nota de Prensa [pdf], Información Divulgativa [pdf], y Descripción Avanzada [pdf]. Los artículos galardonados son Halzen, F., Learned, J. G., «High-Energy Neutrino Detection in Deep Polar Ice,» 5th International Symposium on Very High Energy Cosmic Ray Interactions, preprint MAD/PH/428/UH-511-659-88 [KEK PDF]; Lowder, D. M., …, Halzen, F., Morse, R., «Observation of muons using the polar ice cap as a Cerenkov detector,» Nature 353: 331-333 (1991), doi: https://doi.org/10.1038/353331a0; AMANDA Collaboration, «Observation of high-energy neutrinos using Čerenkov detectors embedded deep in Antarctic ice,” Nature 410: 441-443 (2001), doi: https://doi.org/10.1038/35068509; IceCube Collaboration, «First Observation of PeV-Energy Neutrinos with IceCube,» Physical Review Letters 111: 021103 (2013), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.111.021103; IceCube Collaboration, «Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector,» Science 342: 1242856 (2013), doi: https://doi.org/10.1126/science.1242856; IceCube Collaboration, «Observation of High-Energy Astrophysical Neutrinos in Three Years of IceCube Data,» Physical Review Letters 113: 101101 (2014), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.101101.
La historia arranca con el neutrino de Pauli (1930), detectado por primera vez por Cowan y Reines en 1956, y con la constatación posterior de que los neutrinos son mensajeros astrofísicos casi ideales, porque son neutros, apenas interaccionan con la materia y no son desviados por campos magnéticos. A energías de TeV–PeV, su interacción dominante es la dispersión profundamente inelástica con nucleones, con una sección eficaz de orden 10⁻³³ cm² a 1 PeV, lo que obliga a utilizar volúmenes instrumentados de escala kilométrica. Hay que recordar que los rayos cósmicos, cuyo espectro llega hasta ~10²⁰ eV, con un codo (knee) en unos pocos PeV y otro codo (ankle) en unos pocos EeV, y con el corte GZK por encima de ~50 EeV. En fuentes hadrónicas, protones o núcleos acelerados mediante mecanismos tipo Fermi de primer orden interaccionan con materia o radiación produciendo piones; los π± generan neutrinos y los π0, rayos gamma. Esta conexión física entre rayos cósmicos, neutrinos y fotones motivó la búsqueda de neutrinos de decenas de TeV a decenas de PeV como trazadores de aceleradores cósmicos.
Francis Halzen proponer ºen junio de 1988, junto con John Learned, el uso del hielo polar como blanco y radiador Cherenkov en el preprint “High-energy neutrino detection in deep polar ice”. La idea se apoyaba en trabajos previos de Markov, Reines y Greisen de 1960 sobre grandes detectores Cherenkov en agua, pero trasladaba el concepto a un medio natural estable, oscuro y de enorme volumen. En 1991, Lowder et al. demostraron en Nature 353, 331 que el hielo groenlandés tenía la transparencia suficiente para detectar luz Cherenkov de muones atmosféricos. Después, AMANDA se construyó entre 1993 y 2000: los primeros despliegues a 800–1000 m fracasaron parcialmente porque burbujas de ~50 μm reducían la longitud de dispersión de la luz a menos de 50 cm, pero a 1500–2000 m el hielo resultó mucho más limpio. El artículo de AMANDA en Nature 410, 441 (2001), con neutrinos atmosféricos de ~50 GeV a varios TeV, demostró que la técnica era viable; el límite principal ya no era conceptual, sino estadístico: hacía falta un volumen mucho mayor para acceder al flujo astrofísico.
IceCube buscó financiación de la NSF en 1999, siendo aprobada en 2002, construido desde 2004 y completado en 2011. El detector instrumenta aproximadamente 1 km³ de hielo, con una masa objetivo de ~1 Gt, mediante 86 cuerdas y más de 5000 módulos ópticos situados entre 1450 y 2450 m de profundidad. Desde 2011 opera de forma continua casi el 99 % del tiempo. Su primer gran descubrimiento llegó en 2013, cuando IceCube publicó en Physical Review Letters 111, 021103 dos eventos de 1.04 y 1.14 PeV hallados en datos de 2010–2012; el análisis posterior de 28 eventos entre 30 TeV y 1.14 PeV, publicado en Science 342, 1242856 (2013), estableció una nueva población de neutrinos incompatibles con el fondo atmosférico. En 2014, Physical Review Letters 113, 101101 rechazó una explicación atmosférica con 5.7 σ. Los análisis más recientes combinan 231 486 trazas (tracks) y 10 569 cascadas acumuladas hasta 2021; en PRL 136, 121002 (2026) se muestra que, entre 5 TeV y 10 PeV, un espectro de ley de potencias simple queda rechazado con significación superior a 4 σ, y se reporta además un neutrino muónico de 11.4+2.46−2.53 PeV, detectado el 31 de marzo de 2019, el más energético publicado por IceCube hasta 2026.
La gran pregunta abierta no es si existe un flujo astrofísico de neutrinos, sino qué fuentes lo producen. IceCube detectó el 22 de septiembre de 2017 un neutrino muónico de ~290 TeV compatible a nivel angular con el blázar TXS 0506+056; los dos artículos de Science 361 (2018), eaat1378 y 147, asociaron el evento con una fase brillante en rayos gamma y hallaron además un exceso retrospectivo de neutrinos en 2014–2015 con 3.5 σ, un indicio firme que no llega a evidencia (5 σ). En 2022, IceCube publicó en Science 378, 538 la observación de 79 neutrinos en la dirección del núcleo galáctico activo AGN NGC 1068, con una significación de 4.2 σ; en 2023, Science 380, 1338 presentó una evidencia de neutrinos difusos de la Vía Láctea con 4.5 σ, que en 2026 aumentó a 5.7 σ, superando por primera vez el umbral convencional de descubrimiento de 5 σ para una componente galáctica. Además, en 2024, PRL 132, 151001 identificó siete neutrinos tau de 20 TeV–1 PeV y rechazó la ausencia de flujo astrofísico ντ a 5σ. Persisten incertidumbres importantes: no se ha identificado aún una población dominante de fuentes puntuales; NGC 1068 y TXS 0506+056 son candidatos, pero no explican por sí solos el flujo difuso; los brotes de rayos gamma (GRB), tras más de mil seguimientos, no han mostrado coincidencias convincentes con neutrinos; y la forma espectral observada sugiere la existencia de varias poblaciones o regiones de producción.
El objetivo más relevante de IceCube, como telescopio de neutrinos, es identificar fuentes individuales de neutrinos cósmicos. IceCube ha encontrado varias fuentes potenciales, entre ellas la galaxia activa NGC 1068 (M77). De los neutrinos registrados por IceCube, 79 parecen proceder de la dirección de esta galaxia. Sin embargo, esta evidencia todavía no tiene solidez suficiente como para identificar de manera definitiva a NGC 1068 como una fuente de neutrinos; cuantos más neutrinos detecten los sensores, mayores serán las posibilidades de determinar su origen. Sin duda, oiremos hablar mucho de la astronomía de neutrinos en los próximos años, a medida que otros proyectos sigan el camino abierto por IceCube. Existen varios telescopios de neutrinos en el hemisferio norte que se encuentran en distintas fases de desarrollo, aunque usan agua en lugar de hielo como medio detector. El proyecto que inspiró a Halzen en la década de 1980, DUMAN, finalizó en 1995, pero su legado continúa en diversos proyectos situados, entre otros lugares, en el lago Baikal, el Mediterráneo, el mar de China Meridional y frente a la costa occidental de Canadá. Además, ya se está planificando la próxima ampliación de IceCube en el Polo Sur, llamada IceCube-Gen2, que instrumentará un volumen de unos ocho kilómetros cúbicos de hielo.