Il neutrino più energetico mai osservato

Uno dei moduli ottici digitali del telescopio per neutrini KM3NeT (Foto: Paschal Coyle, CNRS)

Il telescopio sottomarino per neutrini KM3NeT ha osservato un evento compatibile con un neutrino di energia eccezionale, la più alta finora misurata per questo genere di eventi.

"La straordinaria scoperta di questo neutrino, il più energetico mai osservato, apre molti interrogativi, a partire da quello sul meccanismo che lo ha generato: non si può escludere che ci troviamo davanti a fenomeni ancora sconosciuti", dice Annarita Margiotta, professoressa al Dipartimento di Fisica e Astronomia "Augusto Righi" dell’Università di Bologna, coordinatrice del gruppo di ricerca bolognese di KM3NeT e Chair Person del Publication Committee della collaborazione internazionale.

Annunciata oggi con un articolo su Nature, la straordinaria scoperta fornisce la prima evidenza sperimentale che nell’Universo vengono prodotti neutrini di energie così elevate. A catturare questo evento finora unico è stato il telescopio per neutrini KM3NeT/ARCA: una gigantesca infrastruttura installata a circa 3.500 metri di profondità al largo di Portopalo di Capo Passero, in Sicilia.

Nonostante la loro abbondanza nell’Universo, seconda solamente a quella dei fotoni, i neutrini sono tra le particelle elementari più misteriose. Hanno una massa piccolissima, non hanno carica elettrica e interagiscono solo debolmente con la materia, caratteristiche che li rendono molto difficili da rivelare.

Per superare questi ostacoli, l’esperimento KM3NeT utilizza l’acqua di mare come mezzo di interazione: i suoi moduli ottici ad alta tecnologia rivelano infatti la "luce Cherenkov", un bagliore che si genera durante la propagazione nell’acqua delle particelle ultrarelativistiche prodotte nelle interazioni dei neutrini.

È quello che è accaduto il 13 febbraio 2023: il rivelatore ARCA ha registrato un evento (denominato KM3-230213A) compatibile con un neutrino dall’energia stimata di circa 220 PeV (220 milioni di miliardi di elettronvolt). Il segnale 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, suggerisce che il muone abbia avuto origine da un neutrino cosmico che ha interagito nelle vicinanze del rivelatore.

Rappresentazione artistica dell’evento scoperto in KM3NeT. Il muone, rappresentato dalla linea bianca, si muove da destra verso sinistra. Il colore indica il tempo di arrivo della luce sui sensori ottici e la dimensione della “stella colorata” è proporzionale all’intensità del segnale (Immagine: KM3NeT)

Questo risultato straordinario è frutto della Collaborazione KM3NeT, che riunisce oltre 360 tra scienziate e scienziati, ingegneri, tecnici, 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, in collaborazione con diversi atenei, tra cui un ampio gruppo di ricercatrici e ricercatori del Dipartimento di Fisica e Astronomia "Augusto Righi" dell'Università di Bologna.

"Abbiamo iniziato circa venticinque anni fa con il telescopio ANTARES, al largo della Costa Azzurra e abbiamo poi proseguito con KM3NeT, ricoprendo sempre ruoli di responsabilità e fornendo contributi scientifici di alto livello in vari ambiti", conferma la professoressa Margiotta. "Nel corso degli anni il nostro gruppo bolognese si è arricchito con l'arrivo di giovani ricercatori sia universitari che dell’INFN, e con diversi studenti, dottorandi e assegnisti di ricerca".

Oggi l’infrastruttura KM3NeT è in corso di potenziamento, con l’aggiunta di ulteriori unità di rivelazione e l’acquisizione di nuovi dati. Lavori che miglioreranno la sua sensibilità e accresceranno la sua capacità di individuare le sorgenti dei neutrini cosmici, rendendo KM3NeT uno strumento fondamentale per l’astronomia multimessaggera.

Grazie alle loro caratteristiche uniche, i neutrini sono infatti messaggeri cosmici in grado di raggiungere la Terra da angoli remoti dell’Universo indicando la direzione della loro sorgente. Riconoscerli e studiarli permetterà di ottenere informazioni uniche sui fenomeni astrofisici più energetici, consentendo di esplorare i confini più remoti dell’Universo.