Neutrino da record catturato dal telescopio sottomarino che è al largo della Sicilia
Roma, 12 febbraio 2025 – Eccezionale scoperta al largo della Sicilia. Un neutrino da record, il più ricco di energia mai osservato, è stato catturato dal telescopio sottomarino KM3NET e fornisce la prima prova che nell’universo vengono prodotti neutrini di energie così elevate.
La novità, cui Nature dedica la copertina, apre la porta a territori dell'universo inesplorati e su una nuova pagina dell'astrofisica delle particelle. Il risultato è stato presentato a Roma, presso l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare che è tra i fondatori e principali contributori del progetto, assieme a Parigi con il Centre National de la Recherche Scientifique e Amsterdam con il National Institute for Subatomic Physics.
Il neutrino da record
Il neutrino cosmico, chiamato KM3-230213A, ha l'energia record di 220 milioni di miliardi di elettronvolt (220 PeV), pari a 20.000 volte l'energia con cui vengono accelerate le particelle nel più grande acceleratore del mondo, il Large Hadron Collider (Lhc) del Cern. La scoperta di questo messaggero che arriva da territori inesplorati "apre una nuova finestra di osservazione sull'universo", commenta Paschal Coyle del Centro di fisica delle particelle del Cnrs a Marsiglia. Al momento della scoperta Coyle coordinava la collaborazione KM3NeT, che comprende 360 ricercatori che fanno capo a 68 istituzioni di 22 Paesi.
Cosa sono i neutrini
I neutrini sono tra le particelle elementari più misteriose. Hanno una massa piccolissima, quasi nulla, non hanno carica elettrica e interagiscono solo debolmente con la materia. Per queste loro caratteristiche sono messaggeri cosmici molto speciali, in grado di arrivare da molto lontano e indicarci la direzione della loro sorgente, e quindi di portare fino a noi informazioni uniche sui fenomeni astrofisici più energetici, consentendoci di esplorare i confini più remoti dell’universo.
Come si formano i neutrini
L’universo ad alta energia è il regno di eventi cataclismatici, come l’accrescimento di buchi neri supermassicci al centro delle galassie, le esplosioni di supernova, i lampi di raggi gamma, tutti eventi ancora non completamente compresi. Questi potenti acceleratori astrofisici generano flussi di particelle chiamati raggi cosmici. I raggi cosmici di più alta energia possono interagire con la materia o con i fotoni attorno alla sorgente, per produrre neutrini e fotoni. Oppure, viaggiando nello spazio, possono interagire anche con i fotoni della radiazione cosmica di fondo a microonde che permea l’universo fin dai suoi albori, dando origine ai cosiddetti "neutrini cosmogenici” estremamente energetici.
I ricercatori: “Non viene dalla nostra galassia”
La scoperta è la prima dimostrazione che nell'universo vengono generati neutrini a energie così elevate. Le possibili interpretazioni sono tante: "L'energia estremamente elevata lo colloca in una regione totalmente inesplorata, di estremo interesse per la scienza. Future osservazioni di altri eventi di questo tipo serviranno per costruire un chiaro quadro interpretativo", dice Rosa Coniglione, ricercatrice dell'Infn ai Laboratori Nazionali del Sud e vicecoordinatrice della collaborazione KM3NeT al momento della scoperta. Per Giacomo Cuttone, responsabile nazionale dell'Infn per KM3NeT, "un'energia così elevata non è semplice da inquadrare nella nostra galassia: si aprono nuovi scenari" e adesso "la sfida è comprendere possibili meccanismi che possano averlo generato". Senza dubbio "abbiamo trovato qualcosa che non ci aspettavamo. Stiamo aprendo una nuova finestra sull'universo", ha detto Luigi Antonio Fusco, dell’Università di Salerno e Infn. Gli indizi sono pochi al momento, ma per Damien Dornic del Cnrs "siamo quasi sicuri che il neutrino non venga dalla nostra galassia, non sappiamo però da quale distanza sia arrivato".
Com’è stato scoperto il neutrino cosmico
Sebbene i neutrini siano la seconda particella più abbondante nell’universo dopo i fotoni, la loro interazione debole con la materia li rende molto difficili da rivelare e richiede esperimenti di grandi dimensioni come KM3NET, che utilizza l’acqua di mare come mezzo di interazione per i neutrini. I suoi moduli ottici ad alta tecnologia rivelano la luce Cherenkov, un bagliore bluastro che si genera durante la propagazione nell’acqua delle particelle ultrarelativistiche prodotte nelle interazioni dei neutrini. Il segnale rivelato è stato identificato come un singolo muone che ha attraversato l’intero rivelatore, inducendo segnali in più di un terzo dei suoi sensori. L’inclinazione della sua traiettoria combinata con la sua enorme energia fornisce una prova convincente che il muone ha avuto origine da un neutrino cosmico che ha interagito nelle vicinanze del rivelatore.
E' stato un bagliore bluastro a rilevare la particella, il 13 febbraio 2023, ma i ricercatori hanno preferito fare ulteriori controlli con un lavoro di analisi dei dati durato due anni: un tempo necessario, considerando un evento così straordinario.
Il super telescopio marino
A vedere il neutrino da record è stato il rivelatore Arca (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) detector del telescopio KM3NeT. Il telescopio per neutrini KM3NET, attualmente in costruzione, è una gigantesca infrastruttura in acque profonde distribuita su due rivelatori Arca e Orca.
Il rivelatore KM3NETt/Arca (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) è dedicato principalmente allo studio dei neutrini di più alta energia e delle loro sorgenti nell’universo. Questo strumento unico al mondo si trova a 3.450 m di profondità, a circa 80 km al largo della costa di Portopalo di Capo Passero, in Sicilia. Le sue unità di rivelazione (detection unit, DU) alte 700 m sono ancorate al fondale marino e posizionate a circa 100 m di distanza l’una dall’altra. Ogni DU è dotata di 18 moduli ottici digitali (Digital Optical Module, DOM), ciascuno contenente 31 fotomoltiplicatori (photomultiplier). Nella sua configurazione finale, Arca comprenderà 230 Du. I dati raccolti vengono trasmessi tramite un cavo sottomarino alla stazione di terra dei Laboratori Nazionali del Sud dell’Infn.
Il rivelatore KM3NET/Orca (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) è ottimizzato per studiare le proprietà fondamentali dei neutrini. Si trova a una profondità di 2.450 m, a circa 40 km dalla costa di Tolone, Francia. Sarà composto da 115 DU, ciascuna alta 200 m, e distanziate fra loro di 20 m. I dati raccolti da Orca vengono inviati alla stazione di terra di La Seyne Sur Mer.