Dalle acque del Mediterraneo arriva una scoperta sensazionale nel campo delle astroparticelle: la rilevazione di un neutrino di energia pari a milioni di miliardi di elettron-volt, il che rappresenta un record mondiale pere questo tipo di particelle molto elusive, al punto da essere spesso definite “particelle fantasma”.
Macchine “acchiappa-fantasmi”
Il neutrino è una particella prevista dal modello standard, di massa piccolissima ma non nulla ma con una scarsissima possibilità di interazione con la materia ordinaria.
Basti pensare che, ad esempio, solo i neutrini prodotti dal Sole raggiungono la Terra con un flusso di ben 65 miliardi di particelle per centimetro quadrato di superficie! Ma dato che, come detto poc’anzi, interagiscono pochissimo con la materia, i neutrini attraversano il nostro pianeta pressoché indisturbati, rendendo tra l’altro estremamente difficoltosa la loro rivelazione.
Per catturare queste sfuggevoli particelle già da qualche decina di anni sono stati costruiti delle apparecchiature “acchiappa-fantasmi” nei luoghi più impensabili per studiare l’Universo: in miniere abbandonate, sotto i ghiacci o in fondo alle acque dei mari. Questo perché la “firma” del neutrino potrebbe confondersi facilmente con quella di miriadi di altre particelle che investono la nostra atmosfera e i cui sciami secondari giungono fino al suolo. In superficie, quindi, gli apparati che danno la caccia ai neutrini sarebbero “accecati” dalle interazioni delle altre particelle.
Sotto chilometri di roccia, di ghiaccio o di acqua marina, invece, il “rumore” provocato dalle altre particelle scompare o si attenua moltissimo, permettendo così la rilevazione soltanto delle rarissime interazioni che hanno proprio il neutrino come protagonista.
KM3NeT, un chilometro cubo sotto le acque del mare
È il caso di KM3NeT, una collaborazione internazionale ma a potente guida europea (Italia, Francia e Olanda le nazioni maggiormente coinvolte) che ha posto una serie di rivelatori sul fondo del Mar Mediterraneo al largo di Capo Passero, nella Sicilia sud-orientale.
Si tratta di una “foresta” di rivelatori di neutrini collegati tra loro in stringhe ancorate a 3.500 metri di profondità, disposte a coprire circa 1 chilometro quadrato di fondale; ognuna è lunga 800 metri ed è equipaggiata con 18 unità di rilevamento DOM (Digital Optical Module): sfere di vetro di circa mezzo metro di diametro, contenenti rilevatori di luce in grado di percepire anche solo una manciata di fotoni.
Una linea di rilevazione di KM3NeT viene immersa nel Mediterraneo (Credit: KM3NeT).
In acqua, infatti, l’interazione fra un neutrino e una molecola di H2O può portare all’emissione di una particella carica (per esempio un muone) provocando così l’emissione di un fotone che viaggia più veloce della luce in acqua (il limite fisico per cui la velocità della luce non si può superare è infatti quello della velocità della luce nel vuoto cosmico). Si tratta di una sorta di “bang luminoso”, analogo in qualche modo al superamento del muro del suono in atmosfera. Il lampo blu emesso dall’interazione viene raccolto e amplificato da questi occhi elettronici permettendo così di tracciare la direzione di arrivo e di seguire gli sciami secondari prodotti dall’interazione.
Una schiera di DOM (Digital Optical Module) nei laboratori della Sezione di Genova dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn) presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Genova (Credits: Servizio e-learning, multimedia e strumenti web Università di Genova)
Un’energia pazzesca
Ebbene, giusto due anni fa, il 13 febbraio 2023, il rivelatore ha effettuato la detection di un evento incredibilmente energetico, capace di “illuminare” quasi un terzo di tutto l’apparato rilevatore. Identificato dalla sigla KM3-230213A, si è trattato di un muone con un’energia stimata di 120 PeV (peta elettron-Volt), una trentina di volte superiore a quella di qualunque altro evento da neutrino mai rilevato. Secondo le simulazioni, l’energia originaria del neutrino sarebbe stata ovviamente ben più alta, dell’ordine dei 220 PeV. Il neutrino sarebbe arrivato quasi orizzontalmente rispetto all’orizzonte e questo ha rappresentato un colpo di fortuna perché ha potuto interagire anche con la roccia oltre che con l’acqua del mare. Se fosse arrivato verticalmente, avrebbe attraversato strati meno spessi e caratterizzati soltanto da acqua di mare, rendendo molto più difficile, se non impossibile, la sua rilevazione.
La traccia dell’evento KM3-230213A ricostruita in rosso con il cono Cherenkov; i tre punti neri sono l’origine ricostruita degli sciami prodotti lungo la traccia. La luce registrata dai fotomoltiplicatori è indicata con le sfere di taglia proporzionale al numero di fotoni rivelati; il colore delle sfere rappresenta il tempo (dal più scuro al più chiaro) (T. Gal, KM3NeT).
Da dove arriva?
La sua grande energia lo pone come candidato a essere un neutrino di provenienza cosmica perché, se derivasse dall’interazione con particelle dell’atmosfera, la sua energia dovrebbe essere molto più bassa. Pertanto, si è subito scatenata la caccia a una possibile controparte astronomica (gamma ray burst, supernove, blazar) lungo la direzione di provenienza dell’evento ma nessuna controparte di origine elettromagnetica, delle dodici trovate in un intorno ragionevole, è stata ritenuta convincente. Rimane pertanto la possibilità che si tratti non solo di un neutrino di origine cosmica ma addirittura cosmogenica, cioè prodotto dall’interazione dei raggi cosmici con la luce extragalattica o il fondo cosmico a microonde. Sono noti, infatti, raggi cosmici di energia ancora superiori a quella dell’evento neutrinico qui descritto. Sarebbe un risultato davvero straordinario poter attribuire con un certo grado di affidabilità la sua origine a una di queste cause.
Sulla copertina di Nature
Già così, la sensazionale scoperta ha guadagnato la copertina della prestigiosa rivista Nature, nell’edizione del 13 febbraio 2025, il giorno dopo l’annuncio avvenuto in diretta mondiale avvenuta sul canale YouTube della collaborazione KM3NeT e su quello dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn), uno degli enti di ricerca maggiormente coinvolti dal progetto.
La copertina dell’edizione di Nature del 13 febbraio 2025 dedicato alla rilevazione del neutrino più energetico di sempre
La comunità di KM3NeT
La collaborazione che ha effettuato la scoperta è composta da più di 360 ricercatori, tra cui fisici, ingegneri, tecnici e studenti provenienti da quasi 70 istituti diversi in 21 Paesi. Si tratta principalmente di una collaborazione europea, nella quale i principali Paesi in ordine di numero di membri sono: Italia, Francia, Paesi Bassi, Spagna, Germania e Grecia. Ma la collaborazione si sta espandendo rapidamente, coinvolgendo anche Paesi extraeuropei.
KM3NeT si avvale di diverse fonti di finanziamento: l’Unione Europea, i governi regionali (la Regione Sicilia in Italia) e le Agenzie Nazionali di Ricerca (l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e il Ministero dell’Università e della Ricerca per l’Italia). In particolare, è stato importante anche il contributo dei fondi Pnrr-Infrastrutture di Ricerca (KM3NeT4RR).
I collaboratori dell’esperimento KM3NeT riuniti a Louvain-la-Neuve dal 27 al 31 gennaio 2025 per il meeting della collaborazione (dove è stato annunciata la pubblicazione della scoperta sulla copertina della rivista Nature)
