miniatura|Mòdul òptic d'un telescopi de neutrins. Els telescopis de neutrins consten de centenars o milers de mòduls òptics distribuïts en un gran volum. L'astronomia de neutrins és una branca de l'astronomia que obté informació sobre els objectes astronòmics observant i estudiant els neutrins que emeten mitjançant detectors de neutrins instal·lats en observatoris terrestres especialitzats. És un camp emergent de l'astrofísica de partícules que proporciona coneixements sobre els processos d'alta energia i els processos no tèrmics de l'univers.
Els neutrins són partícules elementals gairebé sense massa i elèctricament neutres, és a dir, sense càrrega. Es formen com a resultat de determinats tipus de desintegració radioactiva, de reaccions nuclears com les que tenen lloc al Sol, de fenòmens astrofísics d'alta energia, en reactors nuclears, o quan els raigs còsmics impacten contra àtoms de l'atmosfera. Els neutrins interactuen molt rarament amb la matèria (només mitjançant la força nuclear feble), viatgen gairebé a la velocitat de la llum en línia recta, travessen grans quantitats de matèria sense una absorció apreciable i no són desviats pels camps magnètics. A diferència dels fotons, els neutrins gairebé no experimenten dispersió al llarg de la seva trajectòria. Tanmateix, igual que els fotons, són una de les partícules més abundants de l'univers. Per aquest motiu, els neutrins ofereixen una oportunitat única per observar processos inaccessibles als telescopis òptics, com ara les reaccions que tenen lloc al nucli del Sol. Els neutrins generats al nucli solar pràcticament no són absorbits, de manera que una gran quantitat d'ells escapen del Sol i arriben fins a la Terra. A més, els neutrins poden proporcionar una direcció d'origen molt més precisa que els raigs còsmics formats per partícules carregades.
Els neutrins són molt difícils de detectar a causa de la seva escassa interacció amb la matèria. Per detectar-los, els científics han de protegir els detectors dels raigs còsmics, que poden penetrar centenars de metres de roca. Els neutrins, en canvi, poden travessar tot el planeta sense ser absorbits, com si fossin «partícules fantasma». Per això, els detectors de neutrins se situen a centenars de metres sota terra, habitualment al fons de mines. Allà s'hi col·loca un líquid detector de neutrins, com ara una solució rica en clor; els neutrins poden reaccionar amb un isòtop del clor i produir argó radioactiu. També s'ha utilitzat la conversió de gal·li en germani. L'observatori de neutrins IceCube, construït el 2010 al pol sud, és el detector de neutrins més gran del món. Consta de milers de sensors òptics enterrats a 500 metres de profunditat dins d'un quilòmetre cúbic de gel profund i extraordinàriament transparent, i detecta la llum emesa per partícules carregades que es produeixen quan un únic neutrí col·lideix amb un protó o un neutró d'un àtom. La reacció nuclear resultant produeix partícules secundàries que es desplacen a gran velocitat i emeten una llum blava anomenada radiació de Txerenkov. El Super-Kamiokande al Japó, juntament amb ANTARES i KM3Net a la Mediterrània, són altres detectors de neutrins importants.
Història Els neutrins van ser detectats per primera vegada l'any 1956 per Clyde Cowan i Frederick Reines en un experiment que utilitzava un reactor nuclear proper com a font de neutrins. El seu descobriment va ser reconegut amb el Premi Nobel de Física l'any 1995.
A continuació es va produir la primera detecció de neutrins atmosfèrics el 1965, gairebé simultàniament per dos grups. Un era dirigit per Frederick Reines, que operava un detector de centelleig líquid —el detector Case-Witwatersrand-Irvine (CWI)— a la East Rand gold mine de Sud-àfrica, a una profunditat equivalent a 8,8 km d'aigua. L'altre era una col·laboració entre Bombai, Osaka i Durham que treballava a la mina índia de Kolar Gold Field, a una profunditat equivalent a 7,5 km d'aigua. Tot i que el grup de KGF va detectar candidats a neutrins dos mesos més tard que el grup CWI de Reines, se li va atorgar la prioritat oficial perquè va publicar els seus resultats dues setmanes abans.
L'any 1968, Raymond Davis, Jr. i John N. Bahcall van detectar amb èxit els primers neutrins solars en l'experiment Homestake. Davis, juntament amb el físic japonès Masatoshi Koshiba, va rebre la meitat del Premi Nobel de Física de 2002 «per les seves contribucions pioneres a l'astrofísica, en particular per la detecció de neutrins còsmics» (l'altra meitat va ser concedida a Riccardo Giacconi per les seves contribucions pioneres que van conduir al descobriment de fonts còsmiques de raigs X).
La primera generació de projectes de telescopis submarins de neutrins es va iniciar amb la proposta de Moisey Markov l'any 1960 «...instal·lar detectors a gran profunditat en un llac o al mar i determinar la posició de les partícules carregades amb l'ajuda de la radiació de Txerenkov».
El primer telescopi submarí de neutrins va ser el projecte DUMAND. DUMAND és l'acrònim de Deep Underwater Muon and Neutrino Detector (Detector Submarí Profund de Muons i Neutrins). El projecte es va iniciar l'any 1976 i, tot i que finalment es va cancel·lar el 1995, va servir de precursor de molts dels telescopis desenvolupats durant les dècades següents.
El telescopi de neutrins del Baikal està instal·lat a la part sud del llac Baikal, a Rússia. El detector es troba a una profunditat d'1,1 km i va començar les observacions l'any 1980. El 1993 va ser el primer a desplegar tres línies de detectors per reconstruir les trajectòries dels muons, així com el primer a registrar neutrins atmosfèrics sota l'aigua.
L'AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array) utilitzava la capa de gel de 3 km de gruix del pol Sud i estava situat a diversos centenars de metres de l'estació Amundsen-Scott. Es perforaven forats de 60 cm de diàmetre amb aigua calenta a pressió, en els quals s'instal·laven cadenes amb mòduls òptics abans que l'aigua es tornés a congelar. La profunditat va resultar insuficient per poder reconstruir la trajectòria de les partícules a causa de la dispersió de la llum per les bombolles d'aire. Els anys 1995 i 1996 s'hi van afegir quatre noves cadenes a una profunditat d'uns 2.000 metres, prou per reconstruir les trajectòries. Posteriorment, la xarxa AMANDA es va ampliar fins al gener del 2000, quan constava de 19 cadenes amb un total de 667 mòduls òptics distribuïts entre els 1.500 i els 2.000 metres de profunditat. Finalment, AMANDA es convertiria en el predecessor de l'IceCube l'any 2005.
Un exemple d'un detector de neutrins primerenc és l'Artyomovsk Scintillation Detector (ASD), situat a la mina de sal de Soledar d'Ucraïna a una profunditat de més de 100 m. Va ser creat l'any 1969 al Departament de Leptons d'Alta Energia i Astrofísica de Neutrins de l'Institut de Recerca Nuclear de l'Acadèmia de Ciències de l'URSS per estudiar els fluxos d'antineutrins procedents d'estrelles en col·lapse de la galàxia, així com l'espectre i les interaccions dels muons dels raigs còsmics amb energies de fins a 1013 eV. Una característica d'aquest detector és un tanc de centelleig de 100 tones amb unes dimensions comparables a la longitud d'una cascada electromagnètica produïda per una partícula d'energia inicial de 100 GeV.
Segle XXI Després del declivi de DUMAND, els grups participants es van dividir en tres branques per explorar les possibilitats del mar profund del Mediterrani. L'ANTARES es va ancorar al fons marí a la regió davant de Toló, a la costa mediterrània francesa. Consta de 12 cadenes, cadascuna amb 25 «pisos» equipats amb tres mòduls òptics, un contenidor electrònic i dispositius de calibratge, fins a una profunditat màxima de 2.475 m.
El NEMO (NEutrino Mediterranean Observatory) va ser impulsat per grups italians per investigar la viabilitat d'un detector d'aigües profundes a escala d'un quilòmetre cúbic. Es va identificar un emplaçament adequat a una profunditat de 3,5 km, a uns 100 km de Cap Passero, a la costa sud-est de Sicília. Entre 2007 i 2011, la primera fase de prototipatge va provar una «minitorre» amb 4 barres desplegada durant diverses setmanes prop de Catània, a una profunditat de 2 km. La segona fase, així com els plans per desplegar la torre prototip de mida completa, es desenvoluparien en el marc de KM3NeT.
El NESTOR Project es va instal·lar el 2004 a una profunditat de 4 km i va funcionar durant un mes, fins que una avaria del cable fins a la costa va obligar a interrompre'n l'activitat. Les dades obtingudes van demostrar amb èxit la funcionalitat del detector i van permetre mesurar el flux de muons atmosfèrics. La prova de concepte s'implementarà en el marc de KM3NeT.
La segona generació de projectes de telescopis de neutrins d'aigües profundes assoleix o fins i tot supera la mida concebuda originalment pels pioners de DUMAND. L'Observatori de Neutrins IceCube, situat al pol Sud i que incorpora el seu predecessor AMANDA, es va completar el desembre de 2010. Consta de 5.160 mòduls òptics digitals instal·lats en 86 cadenes, a profunditats d'entre 1.450 i 2.550 m en el gel antàrtic, i el 2013 es va convertir en el primer experiment a detectar neutrins astrofísics (còsmics). El KM3NeT a la Mediterrània i el GVD es troben en fase preparatòria o de prototipatge. IceCube instrumenta 1 km3 de gel. També està previst que GVD cobreixi 1 km3, però amb un llindar d'energia molt més alt. Està previst que KM3NeT cobreixi diversos km3 i tingui dos components: ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) i ORCA (Oscillations Research with Cosmics in the Abyss). Tant KM3NeT com GVD han completat almenys una part de la seva construcció i s'espera que aquests dos, juntament amb IceCube, formin un observatori mundial de neutrins.
El juliol de 2018, l'IceCube va anunciar que havia rastrejat fins al seu punt d'origen un neutrí d'energia extremadament alta que havia arribat al seu centre de recerca de l'Antàrtida el setembre de 2017: el blàzar TXS 0506+056, situat a 3.700 milions d'anys llum de distància en direcció a la constel·lació d'Orió. Aquesta va ser la primera vegada que un detector de neutrins s'utilitzava per localitzar un objecte a l'espai i que s'identificava una font de raigs còsmics.} El novembre de 2022, es va produir un altre avenç significatiu en la identificació de l'origen dels raigs còsmics quan l'IceCube va informar de l'observació de 79 neutrins amb una energia superior a 1 TeV procedents de la galàxia propera M77. S'espera que aquestes observacions d'un objecte ben conegut ajudin a estudiar el nucli galàctic actiu d'aquesta galàxia, a més de servir com a referència per a futures observacions. I el juny de 2023, l'IceCube va informar de la primera detecció de neutrins procedents del pla galàctic de la Via Làctia.
Mètodes de detecció Els neutrins interactuen amb la matèria amb una freqüència extraordinàriament baixa, de manera que la gran majoria dels neutrins travessaran un detector sense interactuar-hi. Si un neutrí hi interactua, només ho farà una vegada. Per tant, per dur a terme l'astronomia de neutrins, cal utilitzar detectors grans per obtenir estadístiques suficients.
miniatura|El detector de neutrins IceCube al pol Sud. Els PMT es troben sota més d'un quilòmetre de gel i detectaran els fotons produïts per les interaccions dels neutrins en un quilòmetre cúbic de gel