Il Nobel per la fisica 2026, assegnato al fisico belga-statunitense Francis Halzen, premia un’idea audace: trasformare un chilometro cubo di Antartide in un osservatorio. Per leggere i messaggi dei neutrini, particelle che attraversano quasi tutto senza lasciare traccia.
Per osservare l’universo alziamo gli occhi; costruiamo telescopi sulle montagne o li lanciamo nello spazio. Francis Halzen ha seguito un’altra strada: ha guardato sotto i propri piedi. Molto sotto. A circa due chilometri di profondità nel ghiaccio del Polo Sud, nel buio più profondo, lo strumento che ha costruito è capace di intercettare messaggi provenienti da regioni remotissime del cosmo. Un osservatorio senza cupola, senza specchio e senza lenti. Si chiama IceCube: cubetto di ghiaccio (un cubetto di un chilometro di lato), e cerca particelle quasi inafferrabili: i neutrini.
Il Nobel per la fisica 2026 riconosce “i contributi decisivi di Halzen all’osservatorio IceCube, e la scoperta dei neutrini di alta energia di origine astrofisica”.
Dietro questo premio c’è una trasformazione del nostro modo di conoscere il cielo, che da anni punta a rivelare tutti i tipi di particelle emesse da sorgenti cosmiche: non solo particelle di luce, ma, ad esempio, protoni, nuclei pesanti e, per l’appunto, neutrini.
In questo momento, mentre leggete, una quantità immensa di neutrini vi sta attraversando. Dal Sole ne arrivano circa 65 miliardi al secondo per ogni centimetro quadrato, pressappoco la superficie dell’unghia di un mignolo. Passano attraverso la pelle, le ossa, il pavimento. Quasi tutti proseguono senza lasciare traccia. Anche di notte il flusso solare continua ad attraversarci, dopo avere percorso la Terra. Per questi neutrini il nostro pianeta è quasi trasparente.
Un neutrino è una particella elementare: per quanto ne sappiamo, non è composto da pezzi più piccoli. Non ha carica elettrica e ha una massa minuscola, inferiore a un milionesimo di quella dell’elettrone – la particella più leggera che siamo riusciti finora a “pesare”. La sua caratteristica più importante è la scarsissima propensione a interagire con la materia. È una specie di particella fantasma. Non partecipa alle interazioni elettromagnetiche che rendono possibili la luce e la chimica. Per rivelarlo bisogna aspettare una delle sue rare interazioni, che avvengono attraverso una forza debolissima, chiamata, per l’appunto, forza debole. I neutrini sono messaggeri particolarmente preziosi proprio perché, interagendo pochissimo con la materia, possono attraversare regioni opache alla luce e portarci informazioni sui processi più violenti ed energetici dell’universo rimanendo intatti.
In questo momento, mentre leggete, una quantità immensa di neutrini vi sta attraversando. Un neutrino è una particella elementare: per quanto ne sappiamo, non è composto da pezzi più piccoli. Non ha carica elettrica e ha una massa minuscola, inferiore a un milionesimo di quella dell’elettrone.
La storia del neutrino comincia con un conto che non torna. Nel 1930 Wolfgang Pauli propose l’esistenza di una particella invisibile per spiegare dove finisse una parte dell’energia in alcuni decadimenti radioattivi. Enrico Fermi inserì poi questa particella ipotetica nella propria teoria dell’interazione debole e le diede il nome di neutrino, oggi usato in tutte le lingue.
Per quasi trent’anni il neutrino rimase previsto solo sulla carta, fino a che nel 1956, settant’anni fa, Clyde Cowan e Frederick Reines riuscirono a rivelarlo sperimentalmente tra i prodotti di un reattore nucleare. In seguito, nel 1968, sono stati osservati anche i neutrini emessi dal Sole, e poi, nel 1987, da una supernova, cioè da una stella morente. Ma ci devono essere molti neutrini tra i messaggeri delle regioni lontane dell’universo. Il Nobel di quest’anno premia la scoperta di questi messaggeri.
Dallo spazio arriva continuamente una pioggia di particelle molto energetiche, soprattutto protoni (ossia nuclei di idrogeno), particelle che chiamiamo raggi cosmici. Alcune possiedono energie enormemente superiori a quelle che sappiamo imprimere alle singole particelle nei nostri acceleratori. Esistono dunque, nel cielo, acceleratori naturali di una potenza straordinaria. Dove sono? E come funzionano?
Per capirlo, la difficoltà principale è che durante il loro viaggio cosmico i protoni, che sono elettricamente carichi, incontrano campi magnetici che ne piegano la traiettoria. Quando arrivano sulla Terra, la direzione da cui provengono non indica necessariamente il luogo da cui sono partiti. È come cercare la casa di qualcuno ricostruendo soltanto l’ultimo tratto di un viaggio pieno di deviazioni. Le particelle di luce sono assorbite. I neutrini, invece, non vengono deviati dai campi magnetici, e possono sfuggire da regioni dense che assorbono la luce, portando informazioni altrimenti inaccessibili.
Qui sta la chiave della scoperta. Quando protoni o nuclei molto energetici urtano materia o radiazione nei pressi di un acceleratore cosmico, possono produrre altre particelle, dalla cui trasformazione nascono neutrini. Rivelare quei neutrini significa raccogliere indizi sulle macchine che li hanno generati. Tra i principali sospetti ci sono gli ambienti turbolenti intorno ai buchi neri giganteschi al centro di galassie lontane.
Il pregio del neutrino come messaggero è anche il suo difetto. Una particella che attraversa quasi tutto attraversa quasi sempre anche l’apparecchio costruito per osservarla. Per intercettarne abbastanza occorre offrire loro un bersaglio immenso. La natura dispone già di grandi volumi adatti: mari, laghi profondi, ghiacciai. Bisogna trasformarli in strumenti scientifici.
Nel 1988 Halzen presentò l’idea di usare come rivelatore il ghiaccio profondo dell’Antartide, che offriva oscurità, stabilità e grande volume. L’idea era che i flash luminosi causati dalle rarissime interazioni dei neutrini con la materia potevano essere “visti” da rivelatori di fotoni immersi nel ghiaccio. Restava da portare laggiù gli strumenti: perforare il ghiaccio con acqua calda, poi calare nei pozzi lunghi cavi carichi di sensori prima che l’acqua tornasse a essere ghiaccio. L’elettronica sarebbe rimasta imprigionata, senza possibilità di andarla a riparare se si fosse guastata: occorrevano quindi rivelatori robusti. Il lavoro doveva concentrarsi nella breve estate antartica.
Credit: Ilya Bodo, IceCube/NSF.
I primi tentativi furono scoraggianti. IceCube non osserva direttamente i neutrini, ma la debole luce prodotta dalle particelle che essi generano quando, raramente, interagiscono con il ghiaccio. Negli strati meno profondi, però, quella luce veniva diffusa dalle bolle d’aria imprigionate nel ghiaccio, e quindi, invece di propagarsi quasi in linea retta e permettere di ricostruire la direzione del neutrino, si sparpagliava. Fu necessario scendere a grande profondità. Sotto circa 1400 metri, le condizioni cambiavano: il ghiaccio risultava straordinariamente trasparente. Prima di imparare a leggere il cosmo, bisognava conoscere le proprietà del ghiaccio antartico.
Il pregio del neutrino come messaggero è anche il suo difetto. Una particella che attraversa quasi tutto attraversa quasi sempre anche l’apparecchio costruito per osservarla.
IceCube entrò nella fase di piena operatività nel 2011. La sua configurazione originaria comprende 5.160 sensori distribuiti lungo 86 cavi, tra 1.450 e 2.450 metri di profondità. Una foresta tridimensionale di occhi elettronici. Il ghiaccio stesso è parte del rivelatore: la materia nella quale può verificarsi l’incontro rarissimo che si sta aspettando. Allora i sensori registrano quanta luce arriva e quando. Combinando questi dati, i ricercatori ricostruiscono l’evento, stimano l’energia del neutrino e la direzione di provenienza.
Nel 2013 arrivarono i primi risultati decisivi: due eventi di energia particolarmente alta e poi un campione complessivo di qualche decina di neutrini. I ricercatori di IceCube avevano trovato un insieme di segnali nuovi. Con altri dati, l’evidenza si consolidò. Da molto lontano, oltre la nostra galassia, arrivava davvero un flusso di neutrini di alta energia. L’osservatorio funzionava; un nuovo cielo si era aperto grazie a un nuovo strumento, come era accaduto quattrocento anni prima con il telescopio di Galileo.
Il passo successivo è attribuire quei messaggi a sorgenti precise. Il 22 settembre 2017 un neutrino fece scattare un allarme inviato agli astronomi di tutto il mondo. La sua direzione era compatibile con quella di una galassia attiva, chiamata TXS 0506+056, che stava attraversando una fase di intensa emissione di raggi gamma, rivelati anche dal telescopio spaziale Fermi della Nasa e dai telescopi italo-tedeschi-spagnoli Magic alle Canarie. Questo è un esempio della nuova astronomia detta “multimessaggero”: confrontare racconti diversi dello stesso universo, sapendo che ciascuno rivela qualcosa che agli altri può sfuggire. Come lo stesso Halzen ha scritto nella prefazione del libro L’universo nascosto di A. De Angelis (Castelvecchi 2024), “parte della radioattività sulla superficie terrestre [viene da …] raggi cosmici, che ci raggiungono in provenienza da sorgenti al di là della nostra atmosfera. Più di un secolo dopo [la loro scoperta], il velo sulla loro origine è stato finalmente sollevato grazie a osservazioni multimessaggero che coinvolgono raggi cosmici, neutrini e onde gravitazionali e con strumenti che coprono tutte le lunghezze d’onda della luce, dalle onde radio ai raggi gamma. I telescopi per neutrini osservano la Via Lattea risplendere di neutrini di origine cosmica.”
Ulteriori indizi sono stati raccolti da IceCube relativamente ad altre sorgenti cosmiche, ma non conosciamo ancora l’identità della maggior parte degli acceleratori che alimentano il flusso di neutrini. Il cielo dei neutrini e dei raggi cosmici in generale comincia ad acquistare una geografia, ma non possiamo ancora disegnarne una mappa.
La ricerca continua anche vicino a noi. Nel Mediterraneo al largo di Capo Passero è operativo e in corso di ampliamento il telescopio per neutrini KM3NeT, costruito sotto la guida dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN): lo stesso principio di IceCube, con l’acqua degli abissi anziché il ghiaccio. Al Polo Sud si progetta IceCube-Gen2, un’estensione di IceCube. Servono più eventi, più precisione, più anni di osservazione. Abbiamo aperto una finestra su un paesaggio ancora da esplorare; forse sarà decisiva la sinergia con l’osservazione delle onde gravitazionali, in cui, dopo gli interferometri Ligo/Virgo, l’Einstein Telescope e l’osservatorio spaziale Lisa saranno protagonisti.
Il Nobel porta il nome di una persona, ma dentro il chilometro cubo di ghiaccio di IceCube ci sono il lavoro e l’intelligenza di centinaia di ricercatori, ingegneri e tecnici, e il know-how di industrie di avanguardia (anche italiane). Il merito di Francis Halzen è anche di avere tenuto insieme con grande tenacia e fiducia un’impresa così complessa per decenni, attraverso difficoltà e insuccessi.
La maggior parte del cosmo ci è sconosciuta. Sotto il ghiaccio più remoto, pochi lampi ci stanno insegnando a vedere una nuova parte dell’universo nascosto.
Per la foto in copertina credit: Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube
