KM3NeT - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

KM3NeT è la più estesa infrastruttura sottomarina di ricerca in fisica astroparticellare del mondo. Situata nelle profondità del Mar Mediterraneo, ospita due telescopi per neutrini: Arca al largo di Capo passero in Sicilia, e Orca al largo di Tolone, Francia. I neutrini sono tra le particelle più abbondanti e sfuggenti dell’universo: in numero sono secondi solo ai fotoni. La loro capacità di attraversare la materia quasi del tutto indisturbati, se da un lato rende molto difficoltoso osservarli (ogni secondo, miliardi di neutrini provenienti dal Sole attraversano il nostro corpo, senza che ce ne accorgiamo), dall’altro li caratterizza come portatori di informazioni preziose per studiare l’universo lontano e gli oggetti astrofisici densi come il centro del Sole o delle stelle.
KM3NeT/Arca studia i neutrini di alta energia prodotti nei processi cosmici più violenti. L’obiettivo è duplice: studiarne le proprietà fondamentali e osservare le sorgenti astrofisiche più potenti della Galassia, come le Supernovae, e dell’universo profondo, come i nuclei galattici attivi e i lampi gamma (gamma ray burst). L’osservazione dei neutrini prodotti da queste sorgenti permetterà di studiare l’origine dei raggi cosmici, e anche l’evoluzione dell’universo più remoto risalendo a epoche prossime al Big bang, con un approccio complementare a quello usato dai fisici delle particelle con l’acceleratore Lhc del Cern a Ginevra.

L’infrastruttura sottomARINA

Il rivelatore ARCA (Astronomy Research with cosmic rays in the Abysses) consiste in una matrice di stringhe, dette unità di rivelazione (DU, detection unit), ancorate al fondale marino. Nella configurazione finale, ARCA comprenderà 230 unità di rivelazione alte circa 700 metri e distribuite a circa 100 m di distanza l’una dall’altra. Ciascuna linea di rivelazione di ARCA ospita quasi 560 rivelatori di luce ultrasensibili (fotomoltiplicatori) installati su 18 moduli ottici distribuiti verticalmente lungo ogni stringa. Attualmente (febbraio 2025) sono attive e in presa dati 57 linee di rivelazione che sono equipaggiate in totale con più di 30.000 fotomoltiplicatori. Il rivelatore ORCA (Oscillation Research with cosmic rays in the Abysses), invece, comprenderà 115 unità di rivelazione alte circa 200 metri distanziate fra loro di 20 m. I due apparati sono ottimizzati per fini sperimentali diversi tra loro: ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) è finalizzato alla ricerca di neutrini cosmici fino a energie estreme, mentre ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) è dedicato allo studio, con eventi di più bassa energia, delle cosiddette oscillazioni dei neutrini.

L’infrastruttura sottomarina ospita, inoltre, osservatori dedicati alle scienze della Terra e del mare, ed è quindi anche un prezioso laboratorio multidisciplinare, gestito in collaborazione con altre istituzioni e infrastrutture di ricerca Europee, come EMSO-ERIC.

Rappresentazione artistica del rilevatore KM3NeT con il modulo ottico mulit-PMT (© KM3NeT collaboration)

Modulo ottico di KM3Net installato nel mare (© KM3NeT collaboration)

La collaborazione internazionale

KM3NeT è una collaborazione internazionale composta da circa 360 tra ricercatori e ricercatrici, ingegneri, personale tecnico, studenti e studentesse provenienti da più di 68 istituti di 22 Paesi di tutto il mondo. L’INFN è tra i maggiori enti di ricerca impegnati in KM3NeT, con gruppi di ricerca attivi presso i Laboratori Nazionali del Sud e presso le sezioni di Bari, Bologna, Catania, Firenze, Genova, Napoli, Padova, e Roma e il gruppo collegato di Salerno, in collaborazione con le corrispondenti università.

Finanziamenti e impatto economico

L’infrastruttura di ricerca è inserita nella Roadmapdi ESFRI, lo European Strategy Forum on Research Infrastructures, nel Piano Nazionale delle Infrastrutture di Ricerca (PNIR) e nel piano delle Infrastrutture di Ricerca (IR) della Regione Siciliana.
Lo sviluppo dell’infrastruttura italiana è stato possibile grazie alla guida e al supporto dell’INFN, con fondi FOE Fondo Ordinario del Enti di ricerca del MUR Ministero dell’Università e della Ricerca, e a diversi programmi nazionali di finanziamento: PON (KM3NeT_IT e PACK) e POR della Regione Siciliana (Progetto IDMAR), nonché a progetti di Design e Preparatory Phase finanziati dalla Comunità Europea, e al coinvolgimento di moltissime aziende italiane nel settore della meccanica, dell’elettronica, dell’imaging e, più in generale, delle tecnologie sottomarine. L’INFN, tramite i finanziamenti PON KM3NeT_IT e PACK) e POR Regione Siciliana (Progetto IDMAR), ha già effettuato investimenti per la costruzione di ARCA per 95 milioni di euro. In particolare, grazie al progetto IDMAR è stato dato un impulso decisivo alla realizzazione della prima fase del telescopio e alla sua predisposizione per il completamento finale. Grazie al finanziamento di ulteriori 67 milioni di euro, su fondi PNRR della Missione 4 coordinata dal MUR dedicati al potenziamento di grandi infrastrutture di ricerca, l’infrastruttura ARCA potrà diventare il più grande telescopio per neutrini al mondo.

Installazione apparato ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) dalla Collaborazione scientifica KM3NeT presso il sito abissale al largo di Capo Passero, in Sicilia. (© KM3NeT collaboration)