Risultati della Ricerca | Il telescopio di neutrini KM3NeT osserva nuovi risultati scientifici

Presentati mercoledì 12 febbraio al Salone dei Marmi del Comune di Salerno i risultati scientifici di un'osservazione affascinante.

Il grande telescopio sottomarino che studia l’universo dagli abissi del Mar Mediterraneo ha misurato il segnale prodotto da un neutrino cosmico dell’energia record di circa 220 PeV.

Il risultato è pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature ed è presentato dalla Collaborazione scientifica KM3NeT (di cui fanno parte anche ricercatori r ricercatrici del Dipartimento di Fisica "E.R. Caianiello" dell'Ateneo) nel corso di un evento congiunto in diretta anche da Roma-Parigi-Amsterdam.

Un significativo evento, compatibile con un neutrino dell’energia stimata di circa 220 PeV (220 x 10^15 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, il 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, ecoordinatore della Collaborazione KM3NeT al momento della rivelazione.

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, possonointeragire 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.

• 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.

• 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 Cosmicsin 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.

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 degli Studi 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.

• Il contributo UNISA

I contributi dell'Università di Salerno e del Gruppo Collegato INFN sono notevoli e sostanziali: comprendono infatti il Database centrale di Collaborazione, il software che coordina l'acquisizione dati sia dei telescopi sia delle stazioni di test, la calibrazione dei sensori d'assetto dei moduli ottici digitali, la gestione delle simulazioni e dell'analisi dati e in particolare il coordinamento del gruppo di lavoro che ha ricostruito l'energia di questo eccezionale neutrino. I proff. Cristiano Bozza e Luigi Antonio Fusco con la dott.sa Chiara Poirè, tutti in forza al Dipartimento di Fisica, hanno responsabilità riconosciute e importanti all'interno della Collaborazione. Nei prossimi mesi, grazie ai fondi del PNRR, presso l'Università di Salerno si avvierà anche la costruzione di parti dei telescopi, per accelerare verso il completamento di questa infrastruttura che sta già dando risultati oltre le aspettative.

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 PreparatoryPhase 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.

Pubblicato il 12 Febbraio 2025