La tremenda sfida di rilevare il contesto del Neutrino Cosmico

AUTORE: Avi Loeb – 16 Febbraio 2026 – Vai all’articolo originale LINK

Pannello inferiore: Foto di gruppo del team “IceCube Neutrino Observatory Upgrade” con la torre di perforazione, il tamburo di tubi e l’IceCube Lab sullo sfondo. Pannello superiore: un modulo multi-fotomoltiplicatore che viene abbassato in un foro nel ghiaccio antartico. (Credito Immagine: Colton Hill e Yua Kamino, IceCube Neutrino Observatory/NSF)

Durante Quando ho iniziato la mia carriera in cosmologia quattro decenni fa, ero intrigato da una conseguenza inevitabile del modello del Big Bang. Oltre alla radiazione residua del fondo cosmico a microonde, scoperta nel 1964 — due anni dopo la mia nascita, dovrebbe esserci anche un fondo cosmico di neutrini che riempie l’Universo. I neutrini si sono disaccoppiati dalla zuppa cosmica di materia e radiazione quando l’Universo aveva un secondo di vita a una temperatura di dieci miliardi di gradi Kelvin, corrispondente a una scala energetica che è il doppio della massa a riposo dell’elettrone.

La rilevazione del fondo di neutrini è di fondamentale importanza per verificare che l’Universo sia iniziato con una fase calda e densa. Se rilevati, i neutrini relitti costituirebbero i messaggeri più antichi conosciuti dell’Universo osservabile poiché sono originati dall’orizzonte più lontano. Lo sono perché si accoppiano alla materia ordinaria solo attraverso l’interazione debole, che è molto più debole delle interazioni elettromagnetiche. Dato che la gravità è ancora più debole, le onde gravitazionali primordiali possono sondare l’Universo in tempi più remoti, ma non sono state rilevate finora.

Misurare la densità di massa dello sfondo cosmico di neutrini è anche di grande importanza per la fisica fondamentale poiché può essere utilizzato per limitare le masse dei neutrini e il numero di specie di neutrini, inclusa la possibilità di ipotetici neutrini sterili che non si accoppiano alla materia ordinaria attraverso le interazioni deboli conosciute. Tali particelle fantasma potrebbero potenzialmente dare un contributo significativo alla materia oscura, la sostanza sconosciuta che costituisce l’84% della densità di materia nell’Universo.

Pensando a queste implicazioni fondamentali, ho dedicato tre mesi della mia giovinezza a una sessione di brainstorming con il mio innovativo collega presso l’Istituto di Studi Avanzati di Princeton, Glenn Starkman. Dopo aver esaminato una vasta gamma di possibili metodi di rilevamento, siamo usciti a mani vuote con solo un concetto speculativo di rilevatore riassunto in un articolo pubblicato qui.

Avanti veloce di 35 anni, quando un brillante postdoc di nome Gonzalo Herrera è entrato nel mio ufficio di Harvard qualche mese fa. Gonzalo mi ha parlato del suo lavoro sul vincolo dello sfondo cosmico di neutrini con i dati dell’Osservatorio di Neutrini IceCube. Questo osservatorio impiega migliaia di sensori sotto il ghiaccio antartico, distribuiti su un chilometro cubo. IceCube è composto da sensori ottici sferici, ciascuno con un tubo fotomoltiplicatore e un computer di acquisizione dati che invia dati digitali alla sala di conteggio sulla superficie sopra l’array. Nel 2019, la National Science Foundation degli Stati Uniti, in collaborazione con partner istituzionali e internazionali, ha approvato il finanziamento del progetto “IceCube Upgrade”. Ora, sette anni dopo, l’aggiornamento di IceCube è stato implementato con successo, come riportato qui pochi giorni fa. IceCube è sensibile alla radiazione Cherenkov emessa da leptoni carichi (elettroni, muoni e tau) che viaggiano più veloci della luce nel ghiaccio dopo essere stati generati attraverso interazioni di neutrini molto energetici con il ghiaccio. Finora, IceCube ha scoperto neutrini astrofisici, identificato due galassie come fonti di neutrini e osservato neutrini dalla nostra stessa galassia Via Lattea.

Nel suo lavoro precedente, Gonzalo ha utilizzato IceCube per stabilire un limite superiore sulla densità di massa dello sfondo cosmico di neutrini, che inevitabilmente interagisce con i raggi cosmici ad alta energia per produrre uno sfondo di neutrini energetici a cui IceCube è sensibile. Mentre descriveva il suo lavoro nel mio ufficio, ho chiesto a Gonzalo: “possiamo stabilire nuovi limiti sul fondo cosmico di neutrini dai fotoni ad alta energia prodotti attraverso la loro interazione con i raggi cosmici ad alta energia?”

E così abbiamo fatto, in un nuovo articolo accessibile qui. Gli urti dei raggi cosmici con lo sfondo cosmico di neutrini inducono un flusso di raggi gamma e raggi X dai decadimenti dei mesoni potenziati e dai processi di leptoni carichi. Confrontando le aspettative con i dati osservativi sul background diffuso dei raggi gamma, si stabilisce un nuovo limite sulla densità di massa del background cosmico dei neutrini che è entro un fattore di 22.000 del suo valore possibile. Il nostro nuovo limite è di ordini di grandezza più forte rispetto agli esperimenti di laboratorio all’avanguardia e comparabile in sensibilità alle ricerche di neutrini relitti potenziati con IceCube. Inoltre, abbiamo scoperto che le anisotropie direzionali derivanti dal raggruppamento dei neutrini relitti nei pozzi di potenziale gravitazionale e dalla distribuzione non omogenea delle sorgenti di raggi cosmici, possono aumentare la sensibilità di un fattore di circa 4.

La rilevazione diretta dello sfondo cosmico di neutrini è un compito impegnativo, ma molto gratificante per migliorare la nostra comprensione dell’Universo primordiale. Il nuovo articolo offre un canale di rilevamento innovativo attraverso i flussi di raggi gamma e raggi X prodotti dagli urti dei raggi cosmici con lo sfondo cosmico di neutrini su scale cosmologiche. Questo apre una nuova via multi-messaggera per la rilevazione dello sfondo cosmico di neutrini.

La scienza è un lavoro in corso, e ho idee migliori ora rispetto a quando ero giovane. Questo sottolinea il mio ottimismo che il futuro sarà migliore del passato grazie ai progressi pionieristici non da agenti di intelligenza artificiale ma da conversazioni di persona con la prossima generazione di scienziati come Gonzalo.