Fisica, a caccia di neutrini nel Mediterraneo: conclusa l’avventura scientifica di ANTARES, passaggio di consegne all’ambizioso progetto KM3NeT

Il Cubic Kilometre Neutrino Telescope, o KM3NeT, è una futura infrastruttura europea di ricerca scientifica, posizionata sul fondale del Mar Mediterraneo

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A metà febbraio 2022, dopo 16 anni di attività, si è conclusa l’avventura scientifica e tecnologica di ANTARES, il primo telescopio per neutrini mai realizzato in mare. Situato 40 km al largo della costa di La Seyne-sur-Mer, vicino Tolone (Francia), ANTARES ha portato a termine la sua missione dimostrando la validità delle soluzioni tecnologiche confluite in KM3NeT, ambizioso progetto di ricerca multisito in fase di realizzazione nel Mediterraneo. ANTARES e KM3NeT sono frutto di una collaborazione europea che ha visto tra i suoi principali contributori l’INFN. La storia di ANTARES, arricchita dai suoi contributi allo studio dei neutrini cosmici, si è conclusa con la campagna marina EMSO-Ligure dell’IFREMER, è stato affidato grazie al sottomarino “Nautile” in dotazione alla nave “Pourquoi Pas?”, durante la quale è stata scollegata la stragrande maggioranza dei cavi di ancoraggio e di alimentazione del telescopio per fare spazio proprio a una delle componenti di KM3NeT.

L’avventura di ANTARES (Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss Environmental RESearch) è iniziata alla fine degli anni ’90, quando alla nascita di una proto-collaborazione fecero seguito studi preliminari di fattibilità per un telescopio sottomarino di neutrini. A questo periodo risalgono infatti le prime campagne di esplorazione dei potenziali siti d’installazione e le attività di simulazione volte a ottimizzare il layout dell’apparato. Indagini che portarono alla scelta dello spazio di mare al largo di La Seyne-sur-Mer e all’adozione di rivelatori composti da tripletti di moduli ottici. Risalgono invece al 2001-2002 le operazioni di posa del cavo principale dell’esperimento e l’installazione, a 2475 metri di profondità, del box sottomarino, destinato a funzionare ininterrottamente per quasi 20 anni, responsabile della connessione elettro-ottica del telescopio. Al termine della sua costruzione, conclusasi nel 2008, ANTARES si sarebbe presentato come una schiera di 12 stringhe alte 400 metri, ognuna composta da 25 tripletti di moduli ottici, ancorati a un’area del fondale di circa 250 metri di diametro.

ANTARES è stato progettato per raccogliere i debolissimi segnali luminosi che si generano nell’acqua per via del cosiddetto effetto Cherenkov al passaggio di particelle ultra-relativistiche“, spiega Maurizio Spurio, dell’Università di Bologna e INFN, co-portavoce della Collaborazione ANTARES. “Questa rete di sensori ottici di grandissima sensibilità, nata come apparato dimostratore, ha prodotto risultati di grandissimo rilievo in tanti contesti, dalla modellizzazione dell’emissione di neutrini in sorgenti celesti, allo studio delle oscillazioni di neutrini e alla ricerca di materia oscura.”

I risultati ottenuti da ANTARES, testimoniati dalla scelta di prorogare di sei anni il suo smantellamento, previsto inizialmente per il 2016, prospettano un futuro ricco di importanti scoperte per il suo erede KM3NeT, il quale, essendo di dimensioni maggiori, con sensori di nuova generazione, e coprendo un intervallo di energia più esteso, potrebbe fare luce sul tipo di sorgenti, galattiche ed extragalattiche, responsabili dell’emissione dei neutrini ad alta energia e sui meccanismi fisici responsabili della loro produzione.

Rosa Coniglione, ricercatrice ai Laboratori Nazionali del Sud dell’INFN e co-portavoce di KM3NeT, spiega: “L’idea di rilevare neutrini raccogliendo segnali in un mezzo trasparente quale l’acqua o il ghiaccio risale agli anni ’60 e si è concretizzata sul finire del secolo scorso con i primi apparati costruiti in Antartide (con l’esperimento AMANDA, a cui si è poi avvicendato IceCube) e nel lago Baikal in Siberia. La scelta di puntare sul Mediterraneo è tuttavia strategica: le ottime caratteristiche ottiche dell’acqua permettono di raggiungere prestazioni eccezionali nella identificazione delle particelle rilevate e inoltre da queste latitutidini temperate si riesce ad avere una prospettiva unica su buona parte della galassia, incluso il centro galattico, dove si concentra un gran numero di potenziali sorgenti di neutrini.

Dalla sua posizione nell’emisfero nord, ANTARES per lunghi anni è stato il rivelatore con maggiore sensibilità nello scrutare il cielo dell’emisfero sud, contribuendo in modo significativo al nuovo campo d’indagine dell’astronomia multimessaggera e dell’astrofisica dei neutrini di alta energia. Una componente diffusa di neutrini di origine cosmica che raggiunge la Terra è stata identificata per la prima volta nel 2013 da IceCube in Antartide. ANTARES ha fornito utili informazioni per interpretare queste osservazioni, in particolare contribuendo allo studio della frazione di neutrini di origine Galattica.

La costruzione di ANTARES è stata possibile grazie a un contributo sostanziale dell’INFN. Basti pensare che tutti i moduli elettronici sottomarini per l’acquisizione dei dati dei tripletti di moduli ottici sono stati realizzati in Italia. Italiano è anche il disegno di varie parti delle stringhe, e innumerevoli sono stati i contributi nel campo delle simulazioni e dell’analisi dei dati.

Marco Circella, ricercatore dell’INFN di Bari, ex coordinatore tecnico di ANTARES e primo Technical Project Manager di KM3NeT, commenta: “Con ANTARES, abbiamo dimostrato di padroneggiare le soluzioni per affrontare questa poderosa sfida tecnologica in fondo al mare. Per mantenere l’apparato in buona efficienza abbiamo anche messo in campo una lunga campagna di manutenzione che ha compreso una dozzina di campagne marine. Ciò ha permesso di continuare la presa-dati in acqua ben oltre i 10 anni di durata nominale che ci eravamo prefissi. La sfida per KM3NeT è stata ancora più grande: realizzare soluzioni che permettessero di costruire questo apparato gigante in tempi ragionevoli e con affidabilità tale da non richiedere manutenzione in situ.

Lo smantellamento di ANTARES avverrà parallelamente all’immersione e l’attivazione delle nuove stringhe di KM3NeT per l’allestimento della componente francese del telescopio, ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss), e della componente italiana, ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss). ORCA è in costruzione in un sito prossimo a quello di ANTARES, mentre ARCA  è in via di installazione circa 80 km al largo di Capo Passero, alla punta meridionale della Sicilia.

L’INFN da decenni è tra i maggiori enti di ricerca impegnati in questi esperimenti, con la partecipazione ad ANTARES,  con l’articolato programma di sviluppo NEMO condotto nei primi anni 2000 e con l’impegno per molti versi trainante in KM3NeT. Gruppi di ricerca per KM3NeT sono attivi presso i Laboratori Nazionali del Sud e le Sezioni di Bari, Bologna, Catania, Genova, Napoli con il gruppo collegato di Salerno e Roma-Sapienza, in collaborazione con le corrispondenti università.

KM3NeT

Nella loro configurazione finale, i due siti di KM3NeT comprenderanno 230 linee di rivelazione per ARCA e 115 per ORCA, di cui 18 sono a oggi già state installate. I due apparati sono ottimizzati per fini sperimentali molto diversi tra loro: ARCA è finalizzato alla ricerca di neutrini cosmici fino ad energie estreme, mentre ORCA è dedicato allo studio, con eventi di più bassa energia, delle cosiddette oscillazioni dei neutrini. Le ambizioni sono molto alte in entrambi i casi: con ARCA si vogliono chiarire i meccanismi che portano alle emissioni di particelle di alta energia nei corpi celesti più remoti e tumultuosi che esistano nell’universo; con ORCA l’intento è invece quello di studiare le piccole anisotropie attese nel flusso dei neutrini prodotti in atmosfera dalle interazioni dei raggi cosmici per determinare l’ordine dei valori di massa dei neutrini.

KM3NeT è supportato dallo European Strategy Forum of Research Infrastructures (ESFRI), è inserito nel Piano Nazionale delle Infrastrutture di Ricerca (PNIR) del Ministero dell’Università e della Ricerca (MUR) ed è stato riconosciuto come infrastruttura di ricerca di interesse strategico dalla Regione Siciliana.

Il progetto, già supportato con finanziamenti dedicati del MUR e della Regione Siciliana, è ora al centro della nuova proposta KM3NeT4RR avanzata dall’INFN, in collaborazione con l’INAF e una rete di sette università italiane, in risposta al bando del MUR per progetti per “Rafforzamento e creazione di Infrastrutture di Ricerca” nell’ambito del PNRR (Piano Nazionale per la Ripresa e la Resilienza). Il progetto KM3NeT4RR prevede un investimento di circa 77 M€, quasi totalmente destinati alle regioni meridionali, per un potenziamento delle infrastrutture di ricerca partecipanti al progetto e per un significativo passo avanti nella realizzazione dell’infrastruttura sottomarina.

KM3NeT riesce a coniugare una dimensione chiaramente internazionale con un forte radicamento sul territorio”, dichiara Giacomo Cuttone, ricercatore dei Laboratori Nazionali del Sud e Coordinatore Scientifico di KM3NeT4RR. “Ad una motivazione scientifica fortissima”, conclude Cuttone, “si aggiunge la peculiarità di una attività sperimentale condotta negli abissi marini, con le implicazioni che questo comporta sia per i necessari sviluppi tecnologici che per le opportunità che sorgono per il monitoraggio ambientale e le ricerche oceanografiche e geofisiche. Il progetto è quindi capace di generare ricadute positive plurime, non solo di tipo scientifico, ma anche economico, tecnologico, ambientale e sociale.”