Il telescopio sottomarino ARCA, parte del progetto internazionale Km3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope), ha individuato il neutrino più energetico mai rilevato fino ad oggi. Ha un’energia stimata di 220 petaelettronvolt (PeV), ovvero 220 quadrilioni di elettronvolt. L’evento, denominato KM3-230213A, rappresenta un traguardo significativo nello studio di queste elusive particelle e della loro origine cosmica.
La scoperta ha coinvolto ricercatori di diversi istituti internazionali ed è particolarmente rilevante perché fornisce la prima evidenza di neutrini con energie estreme, mai osservati prima. Il rilevamento è stato effettuato il 13 febbraio 2023, ma la conferma e l’analisi dei dati hanno richiesto mesi di verifiche prima di poter essere annunciata con certezza ieri, 12 febbraio 2025.
Il neutrino è stato identificato grazie ai sofisticati strumenti di ARCA, a 3450 metri di profondità nelle acque al largo della Sicilia. L’Italia partecipa tramite l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), mentre l’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) nelle sedi di Palermo e Catania partecipa al progetto PNRR legato a KM3NeT (denominato KM3NeT4RR).
Il neutrino, la particella fantasma
I neutrini sono particelle subatomiche appartenenti alla famiglia dei leptoni, caratterizzate da una massa estremamente piccola e dalla totale assenza di carica elettrica. Questa peculiarità li rende quasi immuni alle forze elettromagnetiche e nucleari forti, lasciando come unici canali di interazione la forza nucleare debole e la gravità. Di conseguenza, i neutrini attraversano indisturbati la materia: miliardi di essi ci attraversano ogni secondo senza che ce ne accorgiamo.
Nonostante la loro elusività, i neutrini rivestono un ruolo chiave nella comprensione dell’Universo. Sono prodotti in abbondanza nelle reazioni nucleari che avvengono all’interno delle stelle, nei processi di fusione che alimentano il Sole. E durante eventi astrofisici estremi, come le esplosioni di supernove e la fusione di stelle di neutroni. Sono anche generati nei decadimenti radioattivi sulla Terra, e nei reattori nucleari.
Il loro studio ha già portato a scoperte fondamentali per la fisica. Uno dei risultati più significativi è stata l’osservazione delle oscillazioni dei neutrini, che ha dimostrato che queste particelle possiedono una massa, seppur minuscola, in contrasto con le previsioni originali del Modello Standard.
Un neutrino da 220 PeV
L’evento KM3-230213A è stato identificato il 13 febbraio 2023 da ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss), una delle due sezioni del telescopio sottomarino europeo Km3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope). ARCA è stato progettato per la rivelazione dei neutrini ad alte energie ed è situato a una profondità di 3450 metri nel Mar Mediterraneo, al largo di Portopalo di Capo Passero, in Sicilia.
L’osservatorio non osserva direttamente i neutrini. Utilizza una serie di moduli ottici sferici, ciascuno contenente fotomoltiplicatori altamente sensibili in grado di catturare i deboli bagliori della luce Cherenkov. Questa luce viene emessa quando particelle cariche secondarie, generate dall’interazione di un neutrino con il mezzo circostante, attraversano l’acqua a una velocità superiore a quella della luce nell’acqua stessa. L’analisi dei segnali permette ai ricercatori di risalire alla direzione e all’energia del neutrino primario.
L’evento in questione si distingue per la sua energia straordinaria di 220 PeV, un valore circa 30 volte superiore ai più energetici neutrini cosmici osservati in precedenza. Il neutrino è quindi detto neutrino UHE (dove UHE sta per Ultra High Energy). Per confronto, i neutrini prodotti nel Sole hanno energie nell’ordine di pochi MeV (milioni di elettronvolt), mentre quelli registrati dal telescopio IceCube in Antartide hanno raggiunto al massimo qualche PeV. Il rilevamento di un neutrino da 220 PeV indica che la sua origine è legata a sorgenti astrofisiche estreme, come i blazar e i nuclei galattici attivi.
La conferma dell’evento ha richiesto mesi di analisi, per distinguere il segnale da altri eventi casuali e per verificarne la provenienza. La rilevazione di neutrini con energie così elevate rappresenta una finestra diretta su fenomeni cosmici fino ad oggi inaccessibili con altre tecniche osservative.
Implicazioni e prospettive future
L’osservazione di un neutrino con un’energia così estrema apre nuovi interrogativi sulla sua origine e sul meccanismo che lo ha accelerato a livelli così elevati. Ad oggi, le sorgenti astrofisiche di neutrini ultra-energetici sono ancora oggetto di studio. Solo pochi eventi hanno potuto essere correlati con certezza a una sorgente specifica.
Uno dei principali candidati alla produzione di questi neutrini è rappresentato dai nuclei galattici attivi (AGN), i cuori delle galassie che ospitano buchi neri supermassicci in fase di intensa accrescimento. L’interazione tra particelle ad altissima energia nei getti relativistici emessi dagli AGN potrebbe portare alla generazione di neutrini così energetici. Altri possibili scenari includono collisioni tra raggi cosmici e materia interstellare, oppure l’evaporazione di oggetti esotici, come le stringhe cosmiche.
Un altro aspetto cruciale riguarda la fisica oltre il Modello Standard. L’energia del neutrino KM3-230213A è così elevata che potrebbe fornire indizi su processi fisici ancora sconosciuti, come l’esistenza di nuove interazioni o di particelle ipotetiche previste da teorie oltre il Modello Standard.
Questa scoperta dimostra anche l’efficacia dei telescopi sottomarini come ARCA nel rilevare neutrini di altissima energia e nel fornire informazioni complementari rispetto a osservatori come IceCube. Nei prossimi anni, con il completamento del KM3NeT e il potenziamento della rete di rivelatori, sarà possibile raccogliere più dati e forse individuare con maggiore certezza le sorgenti di questi neutrini. L’obiettivo è costruire una vera e propria astronomia dei neutrini, che possa affiancare l’astronomia tradizionale e la nuova astronomia multi-messaggera.
Lo studio, pubblicato su Nature, è reperibile qui.
