“E la Terra sentii nell’Universo.
Sentii fremendo ch’è del cielo anch’ella,
e mi vidi quaggiù piccolo e sperso,
errare, tra le stelle, in una stella.”— “Il bolide”, Giovanni Pascoli
L’universo nasconde fenomeni estremi che sfidano la nostra comprensione della fisica e dell’astrofisica. Tra questi, i neutrini cosmici ultra-energetici rappresentano una delle chiavi per sondare le regioni più remote e violente del cosmo. Grazie al telescopio sottomarino KM3NeT, situato nel Mar Mediterraneo, è stato recentemente rilevato un evento eccezionale: un neutrino con un’energia superiore ai 100 petaelettronvolt (PeV). Questa scoperta potrebbe segnare una svolta nella comprensione dell’origine e della natura di questi messaggeri cosmici.
The KM3NeT Collaboration. Observation of an ultra-high-energy cosmic neutrino with KM3NeT. Nature 638, 376–382 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08543-1
L’importanza dei neutrini cosmici
I neutrini sono particelle elementari prive di carica elettrica che interagiscono molto debolmente con la materia, rendendoli estremamente difficili da rilevare. Tuttavia, proprio questa loro caratteristica li rende strumenti unici per esplorare il cosmo: a differenza della luce e delle onde elettromagnetiche, i neutrini non vengono deviati da campi magnetici e non subiscono assorbimenti significativi lungo il loro tragitto. Ciò significa che possono viaggiare indisturbati per miliardi di anni luce, portando informazioni dirette sulle loro sorgenti, che possono includere buchi neri supermassicci, supernovae e altri fenomeni astrofisici estremi.
a, Vista laterale e dall'alto dell'evento. La traiettoria ricostruita del muone è indicata da una linea rossa, insieme a una rappresentazione artistica del cono di luce Cherenkov. Gli hit dei singoli PMT sono rappresentati da sfere impilate lungo la direzione degli orientamenti dei PMT. Sono mostrati solo i primi cinque risultati di ciascun PMT. Come indicato nella legenda, le sfere sono colorate in base al tempo di rilevamento relativo al primo hit attivato. La dimensione delle sfere è proporzionale al numero di fotoni rilevati dal PMT corrispondente. La direzione nord è indicata da una freccia rossa. Una scala di 100 m e la Torre Eiffel (330 m di altezza, 125 m di larghezza di base) sono mostrate per confronto di dimensioni. b, vista ingrandita dei moduli ottici che sono vicini alle prime due cascate secondarie osservate nell'evento. Le sfere blu chiaro rappresentano i colpi che arrivano entro -5-25 ns dai tempi di arrivo Cherenkov previsti.
KM3NeT: un osservatorio sottomarino di nuova generazione
KM3NeT (Cubic Kilometer Neutrino Telescope) è un sofisticato rivelatore di neutrini posizionato a grande profondità nel Mediterraneo. Esso è composto da migliaia di sensori ottici distribuiti lungo strutture verticali immerse nell’oscurità degli abissi marini. Quando un neutrino interagisce con l’acqua circostante, genera particelle secondarie ad alta energia che emettono radiazione Cherenkov, una sorta di bagliore blu che i sensori di KM3NeT possono rilevare. Analizzando la direzione e l’energia di queste particelle, i ricercatori sono in grado di risalire alla traiettoria e alla fonte del neutrino originario.
La scoperta del neutrino KM3-230213A
Il 13 febbraio 2023, KM3NeT ha registrato un evento straordinario, denominato KM3-230213A. Un muone, una particella carica generata dall’interazione di un neutrino, è stato osservato attraversare il rivelatore con un’energia stimata di 120 PeV, con un margine di incertezza che potrebbe far salire questo valore fino a 230 PeV. Questo lo rende uno dei neutrini più energetici mai osservati, suggerendo che la sua origine possa essere legata a un acceleratore cosmico estremo, forse diverso dalle sorgenti finora conosciute.
KM3-230213A è indicato dalla stella rossa, con le regioni di errore all'interno di R(68%), R(90%) e R(99%) mostrate rispettivamente come contorni punteggiati, tratteggiati e solidi. Le direzioni delle sorgenti candidate selezionate sono indicate da marcatori colorati, i cui colori e il tipo di marcatore indicano il criterio in base al quale la sorgente è stata selezionata.
Le possibili origini del neutrino ultra-energetico
L’energia elevatissima di KM3-230213A ha aperto nuove domande sull’origine di questi neutrini. Una possibilità è che sia stato prodotto da un blazar, una galassia con un buco nero supermassiccio attivo che emette potenti getti di particelle ad alta energia. Un’altra ipotesi è che si tratti di un neutrino cosmogenico, ovvero generato dall’interazione di raggi cosmici ultra-energetici con la radiazione cosmica di fondo. Se confermata, questa scoperta potrebbe fornire una prova diretta dell’esistenza di questi neutrini predetti teoricamente ma mai osservati finora.
Implicazioni e sviluppi futuri
L’osservazione di KM3-230213A rappresenta un passo avanti significativo per l’astrofisica dei neutrini. Essa potrebbe contribuire a migliorare i modelli teorici sulle sorgenti astrofisiche di neutrini e fornire nuovi strumenti per studiare l’universo primordiale. Inoltre, questa scoperta rafforza l’importanza dei telescopi sottomarini come KM3NeT, che si affiancano ad altri rivelatori come IceCube in Antartide, nel tracciare il flusso di neutrini cosmici attraverso lo spazio.
A sinistra, la vera energia del muone Eμ che massimizza il valore di verosimiglianza per un dato è rappresentata da una linea blu. Le bande blu mostrano il livello di confidenza 1σ, calcolato dalla distribuzione di verosimiglianza utilizzando il teorema di Wilks: in blu scuro quando si considerano solo le incertezze statistiche, in blu chiaro quando si includono anche le incertezze sistematiche. Il valore osservato corrisponde alla linea orizzontale tratteggiata. È riportata anche la stima dell'energia dei muoni risultante (incluse le incertezze sistematiche). A destra, profilo di log-likelihood per : la curva blu tratteggiata rappresenta i risultati quando si considera solo l'incertezza statistica, mentre la curva blu piena mostra i risultati quando si includono le incertezze sistematiche. Le linee orizzontali tratteggiate rappresentano il livello di confidenza 1σ, 2σ e 3σ secondo il teorema di Wilks.
In conclusione…
L’eccezionale rilevamento di un neutrino ultra-energetico da parte di KM3NeT segna un’importante svolta nella ricerca astrofisica. Con il progresso della tecnologia e l’espansione di osservatori simili, il futuro della neutrinoastronomia appare sempre più promettente. Studiando questi elusivi messaggeri cosmici, potremmo essere vicini a svelare i segreti più profondi dell’universo e delle sue fonti energetiche più enigmatiche.
