misurato il neutrino più energetico di sempre

Uno straordinario evento, compatibile con un neutrino dall’energia stimata di circa 220 PeV (220 milioni di miliardi di elettronvolt), è stato rivelato il 13 febbraio 2023 dal rivelatore ARCA del telescopio sottomarino per neutrini KM3NeT.

Questo evento, denominato KM3-230213A, è il neutrino più energetico mai osservato e fornisce la prima prova che nell’universo vengono prodotti neutrini di energie così elevate. 

Dopo un lungo e accurato lavoro di analisi e interpretazione dei dati sperimentali, la Collaborazione scientifica internazionale KM3NeT ha riportato i dettagli di questa straordinaria scoperta in un articolo pubblicato su Nature, e nel corso di un evento trasmesso in diretta dalle sedi dell’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, tra i fondatori e principali contributori del progetto, a Roma, del CNRS Centre National de la Recherche Scientifique a Parigi e di Nikhef National Institute for Subatomic Physics ad Amsterdam. 

“KM3NeT ha iniziato a sondare un intervallo di energia e sensibilità in cui i neutrini rivelati potrebbero avere origine da fenomeni astrofisici estremi. Questa prima rivelazione in assoluto di un neutrino di centinaia di PeV apre un nuovo capitolo nell’astronomia con neutrini e una nuova finestra di osservazione sull’universo”, commenta Paschal Coyle, ricercatore del CNRS – Centre de Physique des Particules de Marseille, Francia, e coordinatore della Collaborazione KM3NeT al momento della rivelazione.

Il mistero dei 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 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.

“Questa osservazione apre la strada a molteplici interpretazioni. Il neutrino di altissima energia potrebbe provenire direttamente da un potente acceleratore cosmico. In alternativa, potrebbe essere la prima rivelazione di un neutrino cosmogenico. Sulla base di un singolo evento è difficile trarre conclusioni sull’origine del neutrino che lo ha prodotto, ma 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”, spiega Rosa Coniglione, ricercatrice dell’INFN ai Laboratori Nazionali del Sud e vicecoordinatrice della Collaborazione KM3NeT al momento della scoperta.

Un segnale record

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. 

“Per determinare la direzione e l’energia di questo neutrino è stata necessaria una calibrazione precisa del telescopio e sofisticati algoritmi di ricostruzione della traccia. Inoltre, questa straordinaria rivelazione è stata ottenuta con solo un decimo della configurazione finale del rivelatore, dimostrando il grande potenziale del nostro esperimento per lo studio dei neutrini e per l’astronomia con neutrini”, commenta Aart Heijboer, ricercatore di Nikhef National Institute for Subatomic Physics, Paesi Bassi, e physics and software manager di KM3NeT al momento della rivelazione.

Il telescopio negli abissi

Il telescopio per neutrini KM3NeT, attualmente in costruzione, è una gigantesca infrastruttura in acque profonde distribuita su due rivelatori ARCA e ORCA. 

Il rivelatore KM3NeT/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. Si trova a 3450 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 2450 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. 

“Le dimensioni di KM3NeT, che nella sua configurazione finale occuperà il volume di oltre un chilometro cubo per un totale di circa 200.000 fotomoltiplicatori, e la sua collocazione in un luogo estremo come gli abissi del Mar Mediterraneo, dimostrano gli straordinari sforzi sperimentali che sono necessari per far progredire l’astronomia dei neutrini e la fisica delle particelle. La rivelazione di questo evento è il risultato di un enorme impresa collaborativa di molti gruppi internazionali”, commenta Miles Lindsey Clark, KM3NeT technical project manager al momento della rivelazione.