Il neutrino da record apre nuove prospettive sulla comprensione dell'universo e sui fenomeni astrofisici più estremi
I neutrini sono particelle elementari quasi prive di massa e interagiscono pochissimo con la materia. Per questo motivo, sono in grado di attraversare l'universo senza essere deviati o assorbiti, portandoci informazioni preziose sulle loro sorgenti cosmiche.
Il neutrino rilevato da KM3NeT ha un'energia stimata di circa 220 PeV, un valore mai osservato prima. Questa scoperta indica che nell'universo esistono processi in grado di accelerare particelle a energie estremamente elevate, come ad esempio i buchi neri supermassicci o le esplosioni di supernova.
"L'evento riguarda la rivelazione di un neutrino ultra energetico (Ultra High Energy, UHE) da parte del rivelatore neutrinico KM3NeT. I neutrini UHE hanno energie a partire dai PetaElettronvolt (PeV, 1 PeV = 10^15 eV, ovvero un milione di miliardi di elettronvolt), e questo in particolare ha un'energia da record pari ad almeno 100 PeV, mai misurata prima per nessun altro neutrino. Per una particella elementare questa energia è una mostruosità, è infatti pari più o meno all'energia cinetica di una pallina da tennis che rotola su un tavolo" dice Fabrizio Bocchino, ricercatore dell'Istituto Nazionale di Astrofisica, che prosegue:"I neutrini UHE sono di importanza fondamentale in astrofisica, perché ci possono dare informazioni su alcuni dei problemi aperti più importanti come l'origine dei raggi cosmici e la loro propagazione durante l'evoluzione dell'Universo. Si ritiene infatti che fra le ipotesi più accreditate sull'origine di questi neutrini ci sia quella cosiddetta "cosmogenica". In questo scenario i neutrini UHE si formano dall'interazione dei raggi cosmici ultra energetici con la radiazione e la materia incontrata durante la loro propagazione nell'Universo, in particolare con la radiazione cosmica di fondo (Cosmic Microwave Background, CMB). Vari modelli di origine e propagazione dei raggi cosmici, accoppiati con modelli evolutivi dell'Universo, danno predizioni differenti sul flusso e la distribuzione di energia posseduta dai neutrini UHE. Pertanto, la rivelazione anche di uno solo di questi eventi può dare informazioni importanti su questi temi. La direzione di arrivo, inoltre, che è stata misurata da KM3NeT per il neutrino UHE rivelato, fornisce ulteriori dettagli al quadro interpretativo, permettendo di ricavare informazioni dettagliate su dove e come questi processi super-energetici avvengono, e contribuendo quindi allo studio anche delle altre opzioni ancora aperte sull'origine dei neutrini UHE e dei raggi cosmici, come quelle che riguardano i buchi neri supermassicci ed i resti di supernova".“
Ecco il video che rivela la scoperta del neutrino
"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.
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 rivelatore neutrinico KM3NeT è un'infrastruttura europea in costruzione che prevede due rivelatori neutrinici in parte già posizionati sul fondo del Mar Mediterraneo, uno a largo della Francia meridionale e l'altro a largo della Sicilia. Questi strumenti non rivelano i neutrini direttamente, ma riescono a osservare gli effetti dell'interazione di altre particelle elementari, i muoni, prodotti dall'interazione dei neutrini con la parte rocciosa del nostro pianeta al di sotto dei rivelatori stessi.
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.
KM3NeT è una collaborazione internazionale tra diversi paesi europei ed extra-europei. L'Italia partecipa tramite l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), mentre l'Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) partecipa al progetto PNRR legato a KM3NeT – denominato KM3NeT4RR – per la parte di sfruttamento scientifico dei dati, supporto alle osservazioni multi-messaggere e modellizzazione delle sorgenti astrofisiche di neutrini, con il coordinamento di Grazia Umana. Il progetto KM3NeT4RR è guidato dall'INFN e le strutture di ricerca INAF coinvolte sono quelle di Palermo e Catania: entrambe partecipano al Work Package 7 del progetto, quello che riguarda le tematiche di astrofisica multi-messagera.
“L’eccezionale risultato mostra il grande potenziale di scoperta di KM3NeT e il valore delle scelte fatte, sia sulle soluzioni tecnologiche sia sul sito di installazione in Sicilia, nel cuore del Mar Mediterraneo, dove è possibile avere un’ampia e unica visione del cielo galattico. Per la realizzazione del telescopio e per il suo prossimo completamento è determinante il contributo dell’Unione Europea, anche con fondi PON del MUR e POR della Regione Siciliana e dei fondi PNRR. L’infrastruttura di ricerca KM3NeT continuerà ad ampliarsi e a realizzare nuove scoperte, portando la Sicilia e l’Italia al centro del panorama scientifico internazionale”, commenta Giacomo Cuttone, responsabile nazionale INFN del progetto KM3NeT.