Il 13 febbraio 2023, un team di ricercatori della Collaborazione Internazionale KM3NeT ha osservato per la prima volta un neutrino con un’energia straordinaria, pari a circa 220 PeV (220 milioni di miliardi di elettronvolt). Si tratta di un valore ben 30 volte superiore a qualunque altro neutrino finora rivelato sulla Terra. Questo risultato rivoluzionario apre nuove prospettive nello studio degli eventi più violenti e misteriosi del cosmo, come i nuclei galattici attivi, i lampi di raggi gamma e le esplosioni di supernovae.
Perché il neutrino è una “particella messaggera” così speciale?
Il neutrino è una particella fondamentale che non ha carica elettrica, possiede una massa piccolissima e interagisce molto debolmente con la materia. Proprio a causa di queste caratteristiche, i neutrini possono attraversare intere galassie – e persino la Terra – quasi senza farsi “notare”. Malgrado siano secondi solo ai fotoni in termini di abbondanza nell’Universo, rilevarli è una sfida tecnologica e scientifica colossale.
Perché tanta fatica? La risposta sta nel fatto che i neutrini portano con sé informazioni “pulite” sulle regioni di Universo da cui provengono, sfuggendo quasi del tutto a interazioni che potrebbero “sporcare” il segnale. Studiarli significa quindi gettare luce sui meccanismi di produzione di alcune delle più colossali e misteriose sorgenti astrofisiche, come i buchi neri supermassicci e i fenomeni catastrofici legati ai raggi cosmici di altissima energia.
Un telescopio sotto il mare: KM3NeT
La scoperta del neutrino ultrarelativistico è stata effettuata dal rivelatore KM3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope), un telescopio sommerso nelle profondità del Mar Mediterraneo. In particolare, l’evento è stato osservato dal rivelatore ARCA, situato a circa 3450 metri di profondità, a 80 km dalle coste della Sicilia (Portopalo di Capo Passero).
KM3NeT sfrutta l’acqua marina come mezzo in cui i neutrini possono interagire, producendo particelle cariche in grado di emettere un debole bagliore noto come luce Čerenkov. Questo bagliore viene catturato da dispositivi ottici innovativi, ognuno dotato di numerosi fotomoltiplicatori, capaci di rilevare i segnali generati dalle interazioni dei neutrini.
Il rivelatore si estende su volumi imponenti (oltre un chilometro cubo) ed è costruito per individuare segnali di neutrini su un ampio spettro di energie, dai più “modesti” (rispetto a questo record) ai più estremi.
Come si è scoperto il neutrino primatista
L’evento del 13 febbraio 2023 – chiamato KM3-230213A – si è rivelato sotto forma di una singola traccia di muone, una particella carica parente dell’elettrone, che ha attraversato l’intero rivelatore. L’inclinazione della traiettoria, unita all’energia straordinaria depositata, dimostra in modo convincente che quel muone deve essere stato generato dall’interazione di un neutrino cosmico nelle vicinanze del telescopio.
Con un’energia di circa 220 PeV, l’evento rappresenta la prima chiara prova che neutrini così energetici vengono effettivamente prodotti da processi astrofisici estremi o persino da interazioni su larghissima scala con la radiazione cosmica di fondo (i cosiddetti neutrini “cosmogenici”).
I misteri dell’Universo estremo
La rilevazione di neutrini di così elevata energia apre una nuova finestra sul cosmo. I raggi cosmici più potenti che si scagliano attraverso l’Universo possono emergere da fenomeni violentissimi, per esempio:
- Buchi neri supermassicci e i relativi getti di plasma ad altissima velocità;
- Resti di supernova, dove l’onda d’urto dell’esplosione accelera le particelle a energie formidabili;
- Gamma ray burst, tra gli eventi più potenti osservati, in grado di emettere brevi ma intensissimi lampi di raggi gamma.
Osservare neutrini di questa portata è cruciale per identificare in modo univoco le sorgenti cosmiche di raggi cosmici, poiché i neutrini, grazie alla loro debole interazione, “puntano” direttamente alla sorgente, senza subire deviazioni dovute ai campi magnetici intergalattici.
Un progetto internazionale
Il successo di KM3NeT è frutto del lavoro congiunto di oltre 360 persone tra scienziati, ingegneri, tecnici e studenti provenienti da 68 istituzioni in 21 Paesi. La rete di rivelatori è divisa in due parti:
- ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss), dedicata alla ricerca di neutrini di altissima energia;
- ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss), situata a 2450 metri di profondità vicino alle coste di Tolone (Francia), progettata per studiare le proprietà fondamentali del neutrino, come l’ordinamento delle sue masse.
Entrambi i rivelatori inviano i dati raccolti a stazioni a terra, dove vengono analizzati da sofisticati sistemi di calcolo e algoritmi di ricostruzione.
Uno sguardo al futuro
L’evento KM3-230213A potrebbe essere solo il primo di una serie di scoperte che rivoluzioneranno la nostra comprensione dei processi astrofisici più estremi e dell’origine dei raggi cosmici. L’espansione di KM3NeT, con l’aggiunta di ulteriori componenti e l’accumulo di maggiori dati, consentirà una sempre più precisa localizzazione delle sorgenti di neutrini e un aumento della probabilità di “catturare” eventi di energia anche superiore.
Oltre a contribuire all’astronomia multimessaggera (che combina segnali di diversa natura, come onde gravitazionali, fotoni e particelle), questi studi potranno anche far luce su aspetti ancora poco noti della fisica del neutrino, come la gerarchia di massa e le eventuali nuove proprietà che potrebbero emergere a energie estreme.
Stefano Camilloni
