Un evento senza precedenti ha segnato una svolta nell’astrofisica delle particelle. Il 13 febbraio 2023, il rivelatore ARCA del telescopio per neutrini KM3NeT, situato nelle profondità del Mar Mediterraneo, ha registrato un neutrino con un’energia stimata di circa 220 PeV (220 milioni di miliardi di elettronvolt). Questo evento, denominato KM3-230213A, è il neutrino più energetico mai osservato, fornendo la prima prova concreta dell’esistenza di neutrini di energie così elevate prodotti nell’Universo.
KM3NeT cattura KM3-230213A, il neutrino più energetico mai osservato
Dopo un’analisi meticolosa dei dati sperimentali, la collaborazione scientifica internazionale di KM3NeT ha identificato KM3-230213A come un singolo muone che ha attraversato l’intero rivelatore, lasciando segnali in oltre un terzo dei sensori attivi. L’inclinazione della sua traiettoria, combinata con l’energia straordinaria, indica inequivocabilmente che il muone ha avuto origine da un neutrino cosmico interagente nelle vicinanze del rivelatore.
KM3-230213A apre un nuovo capitolo nell’astronomia dei neutrini e offre una finestra inedita sull’Universo ad alta energia, che è il regno di fenomeni cosmici estremi, come l’accrescimento di buchi neri supermassicci, esplosioni di supernova e lampi di raggi gamma. Questi eventi, ancora non completamente compresi, sono in grado di accelerare particelle a energie incredibili, generando raggi cosmici che, interagendo con la materia e i fotoni circostanti, producono neutrini e fotoni.
I neutrini, in particolare, sono messaggeri cosmici unici. Grazie alla loro natura neutra e alla debole interazione con la materia, possono attraversare l’Universo senza essere deviati o assorbiti, portando informazioni preziose sui meccanismi che governano i fenomeni più energetici.
Il telescopio per neutrini KM3NeT, attualmente in costruzione, è una gigantesca infrastruttura sottomarina distribuita su due siti, ARCA e ORCA. Nella sua configurazione finale, occuperà un volume di oltre un chilometro cubo. KM3NeT utilizza l’acqua di mare come mezzo di interazione per i neutrini. I suoi moduli ottici ad alta tecnologia rilevano la luce Cherenkov, un bagliore bluastro prodotto dalle particelle ultra-relativistiche generate dalle interazioni dei neutrini.
La scoperta di KM3-230213A rappresenta un passo fondamentale nella comprensione dell’universo ad alta energia. Con l’entrata in funzione completa di KM3NeT e di altri telescopi per neutrini, gli scienziati saranno in grado di studiare in dettaglio le sorgenti di neutrini cosmici, svelando i misteri che ancora avvolgono i fenomeni più violenti dell’Universo.
La calibrazione del telescopio
L’eccezionale rilevazione del neutrino KM3-230213A con un’energia stimata di circa 220 PeV da parte di KM3NeT non è solo un risultato scientifico dirompente, ma anche una testimonianza dell’ingegneria e della tecnologia all’avanguardia che sono state impiegate nella costruzione e nella gestione del telescopio sottomarino.
Come ha sottolineato Aart Heijboer, KM3NeT Physics and Software Manager al momento della rilevazione: “Per determinare la direzione e l’energia di questo neutrino è stata necessaria una calibrazione precisa del telescopio“. In effetti, la precisione nella misurazione dell’energia e della traiettoria di un neutrino è fondamentale per risalire alla sua origine e comprendere i fenomeni cosmici che lo hanno generato.
La calibrazione di un telescopio per neutrini come KM3NeT è un processo complesso che richiede una conoscenza approfondita delle proprietà dell’acqua di mare, delle caratteristiche dei sensori ottici e dell’interazione dei neutrini con la materia. I dati raccolti durante la calibrazione vengono utilizzati per creare modelli accurati del rivelatore e per sviluppare algoritmi di ricostruzione delle tracce.
I “sofisticati algoritmi di ricostruzione della traccia” menzionati da Heijboer sono essenziali per analizzare i segnali luminosi prodotti dalle interazioni dei neutrini nel rivelatore. Questi algoritmi, basati su principi di fisica delle particelle e statistica, permettono di ricostruire la traiettoria del muone prodotto da KM3-230213A e di stimare la sua energia.
La loro complessità è dovuta alla natura stessa dei neutrini, che interagiscono molto raramente con la materia. Di conseguenza, i segnali luminosi prodotti sono deboli e spesso contaminati da rumore di fondo. Gli algoritmi di ricostruzione delle tracce devono essere in grado di distinguere i segnali “veri” dal rumore e di ricostruire la traiettoria del muone con la massima precisione possibile.
Un altro aspetto fondamentale di KM3-230213A è che è stata ottenuta con “solo un decimo della configurazione finale del rivelatore“. Questo, come afferma Heijboer, “dimostra il grande potenziale del nostro esperimento per lo studio dei neutrini e per l’astronomia dei neutrini“.
Con l’entrata in funzione completa di KM3NeT, la sua sensibilità aumenterà notevolmente, permettendo di rilevare un numero maggiore di neutrini e di studiarne le proprietà con maggiore dettaglio. Inoltre, la maggiore precisione nella ricostruzione delle tracce consentirà di individuare le sorgenti di neutrini cosmici con maggiore accuratezza, aprendo nuove prospettive per l’astronomia multi-messaggero.
Lo studio ha menzionati anche i due rivelatori che compongono KM3NeT: ARCA e ORCA. ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) è dedicato allo studio dei neutrini ad altissima energia, come KM3-230213A. ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss), invece, è ottimizzato per studiare le proprietà fondamentali dei neutrini, come le loro oscillazioni.
La combinazione di ARCA e ORCA rende KM3NeT uno strumento unico per l’astrofisica delle particelle, in grado di fornire informazioni preziose sia sull’Universo ad alta energia che sulle proprietà intrinseche dei neutrini.
Conclusioni
La ricerca ha evidenziato che: “La rilevazione di KM3-230213A è il risultato di un enorme lavoro collaborativo tra molti team internazionali di ingegneri, tecnici e scienziati“. KM3NeT è un progetto ambizioso che coinvolge oltre 360 ricercatori provenienti da 68 istituti di 21 paesi diversi. La sua realizzazione è stata possibile grazie alla competenza e alla dedizione di numerosi gruppi di lavoro che hanno contribuito alla progettazione, alla costruzione e alla gestione del telescopio.
La scoperta del neutrino ad altissima energia KM3-230213A è un successo di tutta la comunità scientifica internazionale e dimostra il valore della collaborazione tra diverse discipline e paesi.
Lo studio è stato pubblicato su Nature.
