Neutrini ad alta energia potrebbero offrire una visione dei fenomeni più catastrofici dell’universo.
Nel febbraio 2023, un muone ha attraversato la foresta di cavi sottomarini in un telescopio KM3NeT. Mentre il muone attraversava il rilevatore (percorso in rosso), emetteva un debole bagliore rilevato dai sensori di luce lungo i cavi (sensori attivati in blu e arancione).
Un neutrino dallo spazio è recentemente precipitato nel Mar Mediterraneo con un’energia che supera tutti gli altri neutrini conosciuti. Con una potenza di circa 220 milioni di miliardi di elettronvolt, questa particella era circa 20 volte più energetica dei neutrini cosmici più energetici visti prima, come riportato dai ricercatori nel numero del 13 febbraio di Nature. La particella è stata osservata dal telescopio Cubic Kilometre Neutrino Telescope, o KM3NeT, ancora in costruzione.
“Hanno fatto il colpo grosso,” dice Francis Halzen, fisico dell’Università del Wisconsin–Madison e investigatore principale dell’Osservatorio di Neutrini IceCube in Antartide. ”Abbiamo raccolto dati con un rilevatore molto più grande per 10 anni. Non abbiamo mai visto un evento del genere.”
I fisici sono ansiosi di catalogare i neutrini cosmici perché queste particelle leggere e elettricamente neutre possono attraversare vaste distese di spazio quasi indisturbate. I più energetici potrebbero offrire intuizioni senza pari sui potenti fenomeni che li emettono, come i buchi neri supermassicci. Ma catturare particelle che interagiscono appena con la materia richiede telescopi giganti fatti di sensori incapsulati nel ghiaccio, come IceCube, o sommersi nell’acqua, come KM3NeT.
I due rilevatori di neutrini di KM3NeT — uno al largo della costa della Sicilia, l’altro vicino alla Francia meridionale — sono ancora in costruzione ma già raccolgono dati. Entrambi contengono cavi alti centinaia di metri, che sono infilati con fasci di sensori di luce ancorati al fondale marino.
Quando i neutrini cosmici interagiscono con la materia in o vicino a un rilevatore KM3NeT, generano particelle cariche come i muoni. Mentre questi muoni sfrecciano attraverso l’acqua, emettono deboli lampi di luce blu che i sensori di KM3NeT possono rilevare. Cronometrando quando diversi sensori rilevano questa luce, è possibile rivelare il percorso di una particella; la luminosità della tonalità blu riflette l’energia della particella.
Il 13 febbraio 2023, il rilevatore vicino alla Sicilia è stato attraversato da un muone estremamente energetico che viaggiava quasi parallelo all’orizzonte. All’epoca, solo 21 dei 230 cavi sensori previsti erano in posizione. Basandosi sull’energia e la traiettoria del muone, gli scienziati di KM3NeT hanno determinato che doveva essere stato generato da un neutrino proveniente dallo spazio piuttosto che da una particella dell’atmosfera.
Le simulazioni suggeriscono che l’energia del neutrino era di circa 220 petaelettronvolt. Il precedente detentore del record vantava circa 10 petaelettronvolt.
“È una situazione un po’ scioccante,” dice Luigi Antonio Fusco, membro del team KM3NeT e fisico presso l’Università di Salerno a Fisciano, Italia. È come se i fisici dei neutrini avessero visto solo fuochi alimentati da pochi ramoscelli, “e poi qualcuno arriva con un lanciafiamme.” I ricercatori di KM3NeT stimano che si aspettano di vedere un neutrino di questo calibro una volta ogni 70 anni circa.
“Sono sicuramente partito un po’ scettico,” dice Erik Blaufuss, fisico dell’Università del Maryland a College Park che ha scritto un commento sullo studio nello stesso numero di Nature. “Ma fanno un caso piuttosto convincente nel documento che è reale.”
Per tracciare le origini del neutrino, il team di KM3NeT ha esaminato i dati dei telescopi a raggi gamma, X e radio. Dodici oggetti si sono distinti nella regione del cielo da cui proveniva il neutrino. “La maggior parte di essi sono nuclei galattici attivi,” dice Fusco — nuclei luminosi di galassie dove buchi neri supermassicci stanno inghiottendo gas e polvere. ”Il problema è che ce ne sono così tanti,” dice. “Non puoi davvero individuarne uno singolo.”
Un’altra possibilità è che questo sia il primo neutrino cosmogenico osservato, creato quando raggi cosmici ultrahigh energy si mescolano con fotoni del fondo cosmico a microonde, il bagliore residuo del Big Bang.
“A questo punto, è molto difficile trarre conclusioni sulle origini,” dice Kohta Murase, fisico teorico della Penn State non coinvolto nella ricerca. “È pericoloso fare affidamento su un solo evento.”
L’espansione di KM3NeT dovrebbe migliorare la sua capacità di catturare neutrini e individuarne le origini. Altri telescopi per neutrini sono anche in fase di sviluppo, come un’espansione pianificata di IceCube, un osservatorio proposto al largo dell’isola di Vancouver in Canada e uno in costruzione nel Mar Cinese Meridionale. Questi strumenti, dice Murase, potrebbero aiutare i ricercatori a individuare i luoghi di nascita dei neutrini con energie incredibilmente elevate.