Un evento straordinario è stato osservato da un telescopio sottomarino che rileva neutrini nelle profondità del Mediterraneo, al largo tra Francia e Italia.
Il 12 febbraio 2025, è stato pubblicato su Nature un articolo che evidenzia la produzione di neutrini con energie sorprendentemente elevate nell’Universo. La scoperta risale al 13 febbraio del 2023 quando il rivelatore ARCA, del telescopio sottomarino KM3NeT, ha registrato un neutrino dell’energia stimata di circa 220 PeV (220 x 1015 elettronvolt).
Questa potrebbe essere la prima rivelazione di un neutrino cosmogenico risultante dalle interazioni di raggi cosmici ad energia ultra elevata con fotoni di fondo nell’Universo.
Paschal Coyle, portavoce di KM3NeT e ricercatore presso il CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) ha dichiarato che KM3NeT ha iniziato a sondare un intervallo di energia e sensibilità in cui i neutrini potrebbero avere origine da fenomeni astrofisici estremi.
Rosa Coniglione, Vice-Portavoce di KM3NeT al momento della scoperta e ricercatrice presso l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN Italia), ha spiegato come i neutrini siano tra le particelle elementari più misteriose, veri e propri messaggeri con informazioni uniche poiché non vengono deviati dai campi magnetici e raramente assorbiti dalla materia interstellare. Sulla base di un singolo evento è complicato trarre conclusioni definitive sull’origine del neutrino, ma l’energia così elevata lo colloca in una regione totalmente inesplorata, di grande interesse per la scienza. Future osservazioni serviranno per costruire un chiaro quadro interpretativo
COS’E’ UN NEUTRINO
I neutrini sono più impalpabili dell’aria e milioni di volte più sfuggenti.
Ogni secondo, miliardi di neutrini attraversano i nostri corpi senza che ce ne accorgiamo. Questo perché sono praticamente privi di massa e non hanno carica elettrica, quindi non vengono respinti dagli atomi, come invece accade con altre particelle.
Un neutrino può viaggiare per miliardi di anni luce nello spazio senza scontrarsi con nulla. Se avessimo una sfera di piombo spessa un anno-luce (quasi 9.461 miliardi di chilometri), la maggior parte dei neutrini la attraverserebbe!
COS’E’ UN MUONE
Il muone è un leptone, ossia una particella elementare simile all’elettrone ma con massa maggiore, circa 200 volte più pesante.
Se l’elettrone fosse una pallina da ping-pong, il muone sarebbe una palla da bowling. Nonostante questo, si comporta in modo simile all’elettrone e può attraversare la materia, ma con maggiore energia.
L’ORIGINE DI UN NEUTRINO
L’universo ad alta energia è il regno di eventi cataclismatici come l’accrescimento di buchi neri supermassicci al centro delle galassie, esplosioni di supernova, lampi di raggi gamma, tutti ancora non completamente compresi.
Questi potenti acceleratori generano flussi di particelle chiamati raggi cosmici che, durante il loro viaggio attraverso l’Universo, possono interagire con la materia o i fotoni attorno alla sorgente, producendo neutrini e fotoni. I raggi più energetici, scontrandosi con i fotoni della radiazione di fondo a microonde, possono generare neutrini cosmogenici di altissima energia.
Sebbene i neutrini siano la seconda particella più abbondante nell’Universo dopo i fotoni, la loro debole interazione con la materia li rende molto difficili da captare, richiedendo enormi rilevatori.
KM3NeT
Cubic Kilometre Neutrino Telescope è un’infrastruttura di ricerca, nelle profondità del Mediterraneo, composta da serie di rivelatori, ARCA e ORCA, entrambi in costruzione ma già operativi.
ARCA
ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) è in allestimento a circa 100 chilometri dalla costa della cittadina di Portopalo di Capo Passero, in Sicilia. Le sue unità sono ancorate a una profondità di circa 3450 metri e collegate, tramite un cavo elettro-ottico, alla stazione costiera dell’INFN,
Le unità di rilevamento (detection unit, DU), alte 700 m, sono posizionate a circa 100 m di distanza l’una dall’altra. Ogni DU è dotata di 18 moduli ottici digitali (Digital Optical Module, DOM), ossia delle sfere di vetro, di 43 cm di diametro, resistenti alla pressione, ognuna con 31 fotomoltiplicatori (Photomultiplier o PMT), di 7,6 cm l’uno. Nella sua configurazione finale, ARCA comprenderà 230 DU.
Le proprietà dell’acqua di mare con bassa diffusione della luce consentono una misurazione precisa della direzione del neutrino, di vitale importanza per la scoperta delle fonti di emissione distanti, come supernova, lampi gamma o stelle in collisione.
ORCA
Il rivelatore ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) si trova a una profondità di circa 2.450 metri, a circa 40 km al largo di Tolone (Francia) ed è ottimizzato per lo studio delle proprietà fondamentali dei neutrini.
Sarà composto da 115 DU, alte ciascuna 200 m, distanziate fra loro di 20 metri. I dati raccolti sono inviati alla stazione di terra di La Seyne Sur Mer.
LE CARATTERISTICHE DEL RILEVAMENTO RECORD
Le interazioni dei neutrini producono muoni ad alta energia che possono viaggiare per diversi chilometri nell’acqua di mare prima di essere assorbiti, perdendo energia mentre si propagano.
Nel caso di KM3-230213A, il neutrino ha colpito una molecola d’acqua all’esterno del rilevatore, creando un’esplosione di particelle, tra cui un muone ad alta energia che ha innescato un’increspatura di fotoni azzurri pallidi, la cosiddetta radiazione di Cherenkov, catturata dagli strumenti. L’analisi di quella luce ha permesso di ricavare il percorso sottomarino del muone, stimare l’energia del neutrino e individuare la sua origini in una particolare regione dello spazio.
Aart Heijboer, fisico/responsabile software presso KM3NeT e ricercatore di Nikhef National Institute for Subatomic Physics, Paesi Bassi, ha rivelato che è stata necessaria una calibrazione precisa del telescopio e sofisticati algoritmi di ricostruzione della traccia, per determinare la direzione e l’energia di questo neutrino. L’impresa è ancora più degna di nota considerando che è stata ottenuta con solo un decimo della configurazione.
MA QUANTO E’ POTENTE IL NEUTRINO TROVATO?
Un solo PeV (petaelettronvolt) è un’energia enorme su scala subatomica.
Un neutrino di 220 PeV (220 milioni di miliardi di elettronvolt) ha un’energia decisamente superiore a quella prodotta nel più potente acceleratore di particelle costruito dall’uomo, il Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra (Svizzera) che lavora a 13,6 TeV, pari a 13,6 trilioni di elettronvolt.
GLI ISTITUTI ITALIANI COINVOLTI
L’idea di realizzare un telescopio sottomarino, nasce a Catania oltre 25 anni fa grazie alla sinergia fra INFN e l’Università della città. Il progetto è diventato realtà anche grazie ai finanziamenti del Fondo Europeo per lo Sviluppo Regionale.
La collaborazione internazionale KM3NeT riunisce oltre 360 scienziati, tecnici e studenti di 68 istituzioni, da 21 nazioni.
Il contributo dell’Italia è coordinato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, in collaborazione con il Politecnico di Bari e le Università di Bologna, Catania, Genova, Napoli Federico II, Salerno, Firenze, Campania Luigi Vanvitelli, Padova, Sapienza di Roma.
L’esperimento ha visto anche la partecipazione dei professori Simone Marinai e Claudia Cinelli dell’Università di Pisa che si sono occupati dello studio delle problematiche giuridiche in materia di diritto internazionale del mare, essenziali per l’installazione e la protezione del telescopio.
Lo studio su KM3-230213A è consultabile a questo link.
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Immagini: KM3NeT
Ho letto diversi vostri articoli, mi piace come raccontate le scoperte scientifiche rendendole comprensibili anche a chi non ha una preparazione specifica.