Il Premio Nobel per la Fisica 2026 è stato assegnato al fisico belga Francis Halzen (University of Wisconsin, Madison), per i contributi decisivi all’osservatorio IceCube e alla scoperta dei neutrini di alta energia di origine astrofisica. Questo gigantesco telescopio costruito nei ghiacci del Polo Sud ha aperto una nuova finestra sull’Universo: l’astronomia dei neutrini.
I neutrini sono particelle fondamentali estremamente elusive: non hanno carica elettrica e interagiscono con la materia soltanto attraverso l’interazione debole. Questa caratteristica li rende messaggeri cosmici estremamente preziosi, capaci di viaggiare per enormi distanze senza essere assorbiti o deviati, come accade, invece, alla luce e alle particelle cariche. I neutrini portano così fino a noi informazioni pressoché inalterate sulla loro origine, ovvero sul luogo e sulle condizioni in cui sono stati prodotti, permettendoci di esplorare il cuore nascosto di alcune delle sorgenti più estreme dell’Universo.
Sappiamo infatti da oltre cento anni che l’Universo è attraversato da particelle cariche, chiamate raggi cosmici, che raggiungono energie enormemente superiori a quelle ottenibili negli acceleratori di particelle terrestri. L’origine dei raggi cosmici è un mistero ancora largamente irrisolto, che continua ad affascinare fisici e astrofisici. I motori capaci di accelerare particelle a energie così elevate devono trovarsi, per quanto ne sappiamo, negli ambienti più estremi del cosmo, dove entrano in gioco forze, temperature e densità eccezionali. È il caso, per esempio, delle regioni vicine ai buchi neri supermassicci che si trovano al centro di alcune galassie.
I raggi cosmici sono elettricamente carichi e vengono deviati dai campi magnetici galattici ed extragalattici durante il loro viaggio. Per questo non è possibile risalire direttamente alla loro origine guardando nella direzione da cui arrivano.
Gli ambienti in cui vengono accelerati i raggi cosmici sono, inoltre, così complessi e ricchi di materia che spesso la luce non riesce a uscirne senza essere assorbita o diffusa. Anche durante il suo lungo viaggio attraverso lo spazio, la radiazione luminosa può essere assorbita o attenuata dal materiale che incontra.
Ecco quindi il senso di fare astronomia con i neutrini: queste particelle vengono prodotte dalle interazioni dei raggi cosmici all’interno o nei pressi della loro sorgente, e possono raggiungerci direttamente da quelle regioni altrimenti difficili da osservare. Ci permettono così di studiare ciò che accade all’interno degli acceleratori cosmici e di comprendere meglio quei processi fisici che li alimentano, forse qualcosa che va oltre la nostra comprensione attuale della fisica fondamentale.
Ciò che rende i neutrini astrofisici così interessanti, ovvero la loro elusività, è anche ciò che li rende estremamente difficili da osservare. Per rivelare un neutrino occorre infatti rintracciare la sua interazione con la materia che ci circonda. Quindi, per raccogliere un numero sufficiente di neutrini astrofisici e studiarne le caratteristiche serve tanta, tantissima materia, insieme a un apparato di sensori in grado di riconoscere queste rarissime interazioni.
Da qui nasce l’idea dei telescopi di neutrini, proposta inizialmente dal fisico sovietico Moisej Markov negli anni Sessanta: costruire un apparato ottico in un mezzo trasparente, come l’acqua o il ghiaccio, per captare la tenue scia di luce blu, detta radiazione Cherenkov, emessa dalle particelle cariche prodotte quando un neutrino interagisce con la materia.
Quando, nel 1988, Francis Halzen propose di realizzare un simile strumento nel ghiaccio dell’Antartide, era consapevole che si trattasse di una scommessa ambiziosa. “Un esperimento Deo volente”. Occorreva un volume enorme di ghiaccio, al cui interno installare una rete di sensori ottici, in prossimità di una base scientifica permanente che garantisse il supporto logistico necessario. Fu così individuato il sito presso la base americana Amundsen-Scott, situata al Polo Sud geografico.
Ma ciò che più di tutto rappresentava un’incognita erano le proprietà ottiche del ghiaccio, ancora poco conosciute a quelle profondità. Le misure effettuate con il primo prototipo, AMANDA, dimostrarono che, scendendo oltre un chilometro di profondità, il ghiaccio diventava incredibilmente trasparente grazie alla progressiva scomparsa delle bolle d’aria intrappolate al suo interno. A quelle profondità, il ghiaccio antartico si rivela uno dei materiali solidi più trasparenti conosciuti.
Questi risultati aprirono la strada ad IceCube, la cui costruzione fu completata nel 2010. Dal 2011 l’osservatorio opera nella sua configurazione completa: un chilometro cubo di ghiaccio strumentato con 5.160 sensori ottici, distribuiti tra circa 1.450 e 2.450 metri di profondità.
Nel 2013 i dati raccolti da IceCube rivelarono ciò che ancora nessuno aveva mai osservato prima: i neutrini astrofisici ad alta energia. Si aprì così una nuova finestra sull’Universo, e da quel momento il confine delle nostre conoscenze si è progressivamente allargato grazie alla cosiddetta astronomia multi-messaggera, che combina le osservazioni di neutrini, luce, raggi cosmici e onde gravitazionali per svelare i segreti degli oggetti che popolano l’universo. È un po’ come combinare i nostri sensi per ottenere una conoscenza più completa di ciò che ci circonda: ogni messaggero ci fornisce informazioni diverse e complementari.
Nel 2017 si è così identificato la prima sorgente di neutrini astrofisici, il Blazar TXS 0506+056, mettendo in luce una prima forte evidenza di legame con i raggi cosmici. Nel 2022 IceCube ha individuato la galassia NGC 1068 come sorgente di un flusso costante di neutrini. Nel 2023 ha prodotto una mappa della Via Lattea osservata attraverso i neutrini.
Oltre all’astrofisica, IceCube ha dato contributi importanti anche alla fisica fondamentale: nel 2021 la collaborazione ha annunciato l’osservazione di un evento compatibile con la risonanza di Glashow confermando un'importante previsione teorica del 1960.
IceCube ha inoltre fatto da apripista per una nuova generazione di telescopi di neutrini. KM3NeT, nel Mar Mediterraneo, Baikal-GVD, nel lago Baikal in Siberia, e P-ONE, nell’Oceano Pacifico, puntano a estendere le possibilità di osservazione utilizzando l’acqua come mezzo trasparente e completando la vista del cielo dall’emisfero opposto. Il progetto IceCube-Gen2, invece, mira ad aumentare di circa dieci volte il volume strumentato rispetto all’attuale osservatorio.
“La mia reazione principale a questo progetto”, ha raccontato il prof. Halzen nell’intervista successiva all’assegnazione del Nobel, “non è stato l’orgoglio, ma la sorpresa”. La sorpresa di chi ha contribuito ad aprire una finestra su un Universo che ha ancora tantissimo da raccontare.
Caterina Boscolo, phd, dipartimento di fisica e astronomia università di Padova