Prima rilevazione di un neutrino ad altissima energia

La collaborazione internazionale KM3NeT ha appena rilevato un neutrino trenta volte più energetico di qualsiasi altro precedentemente rilevato in qualsiasi parte del mondo. Questa eccezionale scoperta apre nuove prospettive per la comprensione dei fenomeni di energia estrema nell’Universo e dell’origine dei raggi cosmici. Si tratta di un risultato notevole del telescopio KM3NeT, un gigantesco rivelatore in costruzione sul fondo del Mar Mediterraneo.

 

 

Un evento straordinario coerente con un neutrino con un’energia stimata di circa 220 PeV (220 x 1015 elettronvolt o 220 milioni di miliardi di elettronvolt), è stato rilevato il 13 febbraio 2023 dal rivelatore ARCA del telescopio per neutrini cubici chilometrici (KM3NeT) nelle profondità marine.

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

Dopo un lungo e meticoloso lavoro di analisi e interpretazione dei dati sperimentali, oggi, 12 febbraio 2025, la collaborazione scientifica internazionale di KM3NeT riporta i dettagli di questa sorprendente scoperta in un articolo pubblicato su Nature.

L’evento rilevato è stato identificato come un singolo muone che ha attraversato l’intero rivelatore, inducendo segnali in più di un terzo dei sensori attivi.

L’inclinazione della sua traiettoria, combinata con la sua enorme energia, fornisce prove convincenti che il muone ha avuto origine da un neutrino cosmico che interagisce nelle vicinanze del rivelatore.

“KM3NeT ha iniziato a sondare una gamma di energia e sensibilità in cui i neutrini rilevati possono provenire da fenomeni astrofisici estremi.

Questa prima rilevazione di un neutrino di centinaia di PeV apre un nuovo capitolo nell’astronomia dei neutrini e una nuova finestra osservativa sull’Universo”, commenta Paschal Coyle, portavoce di KM3NeT al momento della rilevazione, e ricercatore presso il Centre National de la Recherche Scientifique – Centre de Physique des Particules de Marseille, Francia.

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 ancora non completamente compresi.

Questi potenti acceleratori cosmici generano flussi di particelle chiamati raggi cosmici.

Alcuni raggi cosmici possono interagire con la materia o con i fotoni intorno alla sorgente, per produrre neutrini e fotoni.

Durante il viaggio dei raggi cosmici più energetici attraverso l’Universo, alcuni possono anche interagire con i fotoni della radiazione cosmica di fondo a microonde, per produrre neutrini “cosmogenici” estremamente energetici.

“I neutrini sono una delle particelle elementari più misteriose. Non hanno carica elettrica, quasi nessuna massa e interagiscono solo debolmente con la materia. Sono speciali messaggeri cosmici, che ci forniscono informazioni uniche sui meccanismi coinvolti nei fenomeni più energetici e ci permettono di esplorare i confini più remoti dell’Universo”, spiega Rosa Coniglione, Vice Portavoce di KM3NeT al momento della rilevazione, ricercatrice presso l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare dell’INFN, Italia.

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 rilevare e richiede enormi rivelatori.

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

Nella sua configurazione finale, KM3NeT occuperà un volume di oltre un chilometro cubo. KM3NeT utilizza l’acqua di mare come mezzo di interazione per i neutrini.

I suoi moduli ottici ad alta tecnologia rilevano la luce Cherenkov, un bagliore bluastro che si genera durante la propagazione attraverso l’acqua delle particelle ultra-relativistiche prodotte nelle interazioni dei neutrini.

“Per determinare la direzione e l’energia di questo neutrino è stata necessaria una calibrazione precisa del telescopio e sofisticati algoritmi di ricostruzione delle tracce. Inoltre, questa notevole 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 dei neutrini”, commenta Aart Heijboer, KM3NeT Physics and Software Manager al momento della rivelazione, e ricercatore presso il Nikhef National Institute for Subatomic Physics, Paesi Bassi.

Il rivelatore KM3NeT/ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) è principalmente dedicato 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 dalla costa di Portopalo di Capo Passero, in Sicilia.

Le sue unità di rilevamento (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 (DOM) contenenti ciascuno 31 fotomoltiplicatori (PMT). Nella sua configurazione finale, ARCA comprenderà 230 DU.

I dati raccolti vengono trasmessi tramite cavo sottomarino alla stazione di terra presso i Laboratori Nazionali del Sud dell’INFN.

Il rivelatore KM3NeT/ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) è ottimizzato per studiare le proprietà fondamentali del neutrino stesso. Si trova ad una profondità di 2450 m, a circa 40 km dalla costa di Tolone, in Francia.

Comprenderà 115 DU, ciascuna alta 200 m e distanziata di 20 m. I dati raccolti da ORCA vengono inviati alla stazione di terra di La Seyne Sur Mer.

“La scala di KM3NeT, che alla fine comprende un volume di circa un chilometro cubo con un totale di circa 200.000 fotomoltiplicatori, insieme alla sua posizione estrema nell’abisso del Mar Mediterraneo, dimostra gli sforzi straordinari necessari per far progredire l’astronomia dei neutrini e la fisica delle particelle. La rilevazione di questo evento è il risultato di un enorme sforzo collaborativo tra molti team internazionali di ingegneri, tecnici e scienziati”, commenta Miles Lindsey Clark, Technical Project Manager di KM3NeT al momento della rilevazione, e ingegnere di ricerca presso il CNRS – Laboratorio di Astroparticelle e Cosmologia, Francia.

Questo neutrino ad altissima energia può provenire direttamente da un potente acceleratore cosmico. In alternativa, potrebbe essere la prima rilevazione di un neutrino cosmogenico.

Tuttavia, sulla base di questo singolo neutrino è difficile concludere sulla sua origine. Le osservazioni future si concentreranno sull’individuazione di un maggior numero di eventi di questo tipo per costruire un quadro più chiaro.

L’espansione in corso di KM3NeT con ulteriori unità di rilevamento e l’acquisizione di dati aggiuntivi migliorerà la sua sensibilità e la sua capacità di individuare le sorgenti di neutrini cosmici, rendendolo uno dei principali contributori all’astronomia multi-messaggero.

La collaborazione KM3NeT riunisce più di 360 scienziati, ingegneri, tecnici e studenti di 68 istituzioni provenienti da 21 paesi di tutto il mondo.

KM3NeT è incluso nella tabella di marcia del Forum strategico europeo sulle infrastrutture di ricerca, che riconosce KM3NeT come un’infrastruttura di ricerca prioritaria per l’Europa.

Oltre ai finanziamenti forniti dalle agenzie di ricerca di diversi paesi, KM3NeT ha beneficiato di vari finanziamenti attraverso i programmi europei di ricerca e innovazione e il Fondo europeo di sviluppo regionale.