KM3NeT rivela il neutrino più energetico mai osservato
Uno straordinario evento, compatibile con un neutrino dell’energia stimata di circa 220 PeV (220 x 1015 elettronvolt o 220 milioni di miliardi di elettronvolt), è stato rivelato il 13 febbraio 2023 dal rivelatore ARCA del telescopio sottomarino per neutrini KM3NeT.
Questo evento, denominato KM3-230213A, è il neutrino più energetico mai osservato e fornisce la prima prova che nell’universo vengono prodotti neutrini di energie così elevate.
Dopo un lungo e accurato lavoro di analisi e interpretazione dei dati sperimentali, oggi, 12 febbraio 2025, la Collaborazione scientifica internazionale KM3NeT riporta i dettagli di questa fantastica scoperta in un articolo pubblicato su Nature, e nel corso di un evento trasmesso in diretta dalle sedi dell’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, tra i fondatori e principali contributori del progetto, a Roma, del CNRS Centre National de la Recherche Scientifique a Parigi e di Nikhef National Institute for Subatomic Physics ad Amsterdam.
«KM3NeT ha iniziato a sondare un intervallo di energia e sensibilità in cui i neutrini rivelati potrebbero avere origine da fenomeni astrofisici estremi. Questa prima rivelazione in assoluto di un neutrino di centinaia di PeV apre un nuovo capitolo nell’astronomia con neutrini e una nuova finestra di osservazione sull’universo», commenta Paschal Coyle, ricercatore del CNRS – Centre de Physique des Particules de Marseille, Francia, e coordinatore della Collaborazione KM3NeT al momento della rivelazione.
Photo credits: N. Busser – CNRS
Un inedito messaggero cosmico da territori ancora inesplorati
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 eventi ancora non completamente compresi. Questi potenti acceleratori astrofisici generano flussi di particelle chiamati raggi cosmici. I raggi cosmici di più alta energia possono interagire con la materia o con i fotoni attorno alla sorgente, per produrre neutrini e fotoni. Oppure, viaggiando nello spazio, possono interagire anche con i fotoni della radiazione cosmica di fondo a microonde che permea l’universo fin dai suoi albori, dando origine ai cosiddetti "neutrini cosmogenici" estremamente energetici.
I neutrini sono tra le particelle elementari più misteriose. Hanno una massa piccolissima, quasi nulla, non hanno carica elettrica e interagiscono solo debolmente con la materia. Per queste loro caratteristiche sono messaggeri cosmici molto speciali, in grado di arrivare da molto lontano e indicarci la direzione della loro sorgente, e quindi di portare fino a noi informazioni uniche sui fenomeni astrofisici più energetici, consentendoci di esplorare i confini più remoti dell’universo.
«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.
Photo credits: Marco Kraan Nikhef
Il segnale record KM3-230213A
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 potenziamento in corso dell’infrastruttura KM3NeT con unità di rivelazione aggiuntive e l’acquisizione di nuovi dati miglioreranno la sua sensibilità e accresceranno la sua capacità di individuare le sorgenti dei neutrini cosmici, rendendolo un importante strumento per l’astronomia multimessaggera.
La grande infrastruttura di ricerca KM3NeT
Il telescopio per neutrini KM3NeT, attualmente in costruzione, è una gigantesca infrastruttura in acque profonde distribuita su due rivelatori ARCA e ORCA.
Il rivelatore KM3NeT/ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) è dedicato principalmente 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 al largo della costa di Portopalo di Capo Passero, in Sicilia. 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.
«Le dimensioni di KM3NeT, che nella sua configurazione finale occuperà il volume di oltre un chilometro cubo per un totale di circa 200.000 fotomoltiplicatori, e la sua collocazione in un luogo estremo come gli abissi del Mar Mediterraneo, dimostrano gli straordinari sforzi sperimentali che sono necessari per far progredire l’astronomia dei neutrini e la fisica delle particelle. La rivelazione di questo evento è il risultato di un enorme impresa collaborativa di molti gruppi internazionali», commenta Miles Lindsey Clark, KM3NeT technical project manager al momento della rivelazione.
La Collaborazione KM3NeT riunisce oltre 360 scienziate e scienziati, ingegneri, tecnici e studentesse e studenti di 68 istituzioni da 21 Paesi di tutto il mondo. Il contributo dell’Italia è coordinato dall’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, che vi partecipa con gruppi di ricerca attivi presso i Laboratori Nazionali del Sud e le Sezioni di Bari, Bologna, Catania, Firenze, Genova, Napoli, Padova e Roma e il gruppo collegato di Salerno, in collaborazione con i corrispondenti atenei: Politecnico di Bari, Alma Mater Studiorum Università di Bologna, Università di Catania, Università di Genova, Università Federico II di Napoli, Università degli Studi di Firenze, Università della Campania Luigi Vanvitelli, Università degli Studi di Padova, Sapienza Università di Roma e Università degli Studi di Salerno.
Photo credits: Chiara Lastoria – CNRS
L’Italia e l’INFN in KM3NeT
«Lo straordinario risultato di KM3NeT apre prospettive scientifiche davvero affascinanti, e premia il grande impegno della nostra comunità. Dimostra anche il valore che gli investimenti in infrastrutture di ricerca sono in grado di generare. Investimenti che l’INFN ha potuto realizzare nel progetto KM3NeT grazie al Ministero dell’Università e della Ricerca e alla Regione Siciliana, che oggi ringraziamo per il loro supporto», sottolinea Antonio Zoccoli, presidente dell’INFN. «La gigantesca infrastruttura sottomarina KM3NeT continuerà a crescere e ad accrescere così il suo già grande potenziale di scoperta grazie al progetto KM3NeT4RR, finanziato con i fondi PNRR riservati dal MUR al potenziamento delle infrastrutture di ricerca», conclude Zoccoli.
L’INFN è tra i principali enti che partecipano alla Collaborazione KM3NeT. Sin dagli anni ’90 del secolo scorso, l’INFN ha avuto un ruolo guida nello sviluppo dell’astronomia con neutrini nel Mediterraneo, con l’esperimento ANTARES e l’esteso programma di ricerca e sviluppo del progetto NEMO. Le responsabilità italiane in KM3NeT includono la realizzazione della stazione di terra di ARCA e la progettazione dell’infrastruttura sottomarina. Contributi sostanziali sono stati forniti con la progettazione di elementi cruciali del telescopio sottomarino, con un articolato programma di attività di simulazione e analisi dei dati, e inoltre con un enorme contributo alla costruzione dell’apparato, attività a cui concorrono tutti i gruppi italiani, e che si concentra in particolare nei siti di integrazione dei Laboratori Nazionali del Sud e del laboratorio CAPACITY a Caserta. Numerosi sono anche gli incarichi apicali e di responsabilità ricoperti nel tempo da molti italiani e italiane.
«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.
Photo credit: Paschal Coyle - CNRS
Il ruolo di UniGe e di INFN sezione di Genova
All’interno della collaborazione internazionale KM3NeT, opera il gruppo genovese, costituito da circa 20 persone tra ricercatrici, ricercatori, dottorandi e personale tecnico della sezione INFN di Genova e dell’Università di Genova, che ricoprono ruoli di responsabilità e coordinamento, occupandosi anche di molteplici analisi su potenziali sorgenti astrofisiche di neutrini e sui raggi cosmici. Inoltre, la sezione INFN di Genova ospita uno dei laboratori dove le unità di rilevamento vengono assemblate e calibrate prima della loro installazione in mare.
L’infrastruttura di ricerca KM3NeT è inserita nella Roadmap di ESFRI, lo European Strategy Forum on Research Infrastructures, nel Piano Nazionale delle Infrastrutture di Ricerca (PNIR) e nel piano delle Infrastrutture di Ricerca (IR) della Regione Siciliana. Lo sviluppo dell’infrastruttura italiana è stato possibile grazie alla guida e al supporto dell’INFN con fondi FOE Fondo Ordinario degli Enti di Ricerca del MUR Ministero della Ricerca e dell’Università, e a diversi programmi nazionali di finanziamento: PON (KM3NeT_IT e PACK) e POR della Regione Siciliana (Progetto IDMAR), nonché a progetti di Design e Preparatory Phase finanziati dalla Comunità Europea, e al coinvolgimento di moltissime aziende italiane nel settore della meccanica, dell’elettronica, dell’imaging e, più in generale, delle tecnologie sottomarine. L’INFN, tramite i finanziamenti PON KM3NeT_IT e PACK e POR Regione Siciliana (Progetto IDMAR), ha già effettuato investimenti per la costruzione di ARCA per 95 milioni di euro. In particolare, grazie al progetto IDMAR è stato dato un impulso decisivo alla realizzazione della prima fase del telescopio e alla sua predisposizione per il completamento finale. Grazie al finanziamento di ulteriori 67 milioni di euro, su fondi PNRR della Missione 4 coordinata dal MUR dedicati al potenziamento di grandi infrastrutture di ricerca, l’infrastruttura ARCA potrà espandersi fino a diventare il più grande telescopio per neutrini al mondo.
