La Lettura, 27 settembre 2026
Il telescopio di ghiaccio al Polo Sud
Sono particelle quasi prive di massa, senza carica elettrica, capaci di attraversare la Terra intera come se non esistesse. Ogni secondo, migliaia di miliardi di neutrini passano attraverso il nostro corpo senza lasciare traccia. Alcuni – rarissimi – arrivano dagli angoli più energetici e violenti dell’universo: buchi neri supermassicci, galassie attive, esplosioni che nessun telescopio ottico potrà mai osservare direttamente. Studiarli significa aprire una finestra su fenomeni altrimenti invisibili. È l’obiettivo cui Francis Halzen, fisico belga dell’Università del Wisconsin-Madison, ospite il prossimo 4 ottobre della XXIV edizione di BergamoScienza, ha dedicato quarant’anni di ricerca appassionata.
Formatosi all’Università di Lovanio, in Belgio, come fisico delle particelle, Halzen lavora prima al Cern di Ginevra e poi, dal 1972, negli Stati Uniti. È solo a metà degli anni Ottanta che comincia a interessarsi ai neutrini cosmici, intuendo che uno strumento abbastanza grande, collocato in un ambiente sufficientemente trasparente e buio, avrebbe potuto rivelare le rarissime interazioni di queste particelle con la materia.
Racconta: «Frederick Reines (che insieme a Clyde Cowan, nel 1956, confermò sperimentalmente l’esistenza del neutrino, teorizzata da Wolfgang Pauli nel 1930, ndr) mi disse di essersi reso immediatamente conto di come si potesse fare astronomia con i neutrini. Fu però solo all’inizio degli anni Sessanta che gli scienziati iniziarono a prendere sul serio la cosa e a pensare a un telescopio in un mezzo naturale (ai tempi si pensava all’acqua): l’idea c’era, occorreva solo la tecnologia per realizzarla». Nel 1986, dopo i fallimenti del Progetto Dumand (Deep Underwater Muon and Neutrino Detector Project), Halzen propone di utilizzare il ghiaccio.
Il ghiaccio antartico si è rivelato il mezzo ideale: trasparente, stabile, privo di luce e di contaminazione radioattiva. L’idea, in principio, poteva sembrare balzana: «Alla fine degli anni Ottanta misi insieme un piccolo gruppo di dottorandi e postdoc, e iniziai a esplorare questa possibilità. Se da una parte potevamo appoggiarci alla base Amundsen-Scott al Polo Sud, realizzata dalla National Science Foundation, dall’altra rimaneva la grande incognita della trasparenza del ghiaccio».
Dopo Amanda (Antarctic Muon and Neutrino Detector Array), un prototipo di dimensioni ridotte, nasce IceCube, inaugurato nel 2010. «All’inizio», ricorda con un sorriso, «lo chiamavo rivelatore deo volente: non potevamo infatti sapere se avesse le caratteristiche necessarie per ottenere lo scopo che ci eravamo prefissi, ma alla fine è risultato essere lo strumento giusto». Non si tratta di un telescopio nel senso tradizionale: privo di lenti o specchi, consiste di una griglia di 5.160 sensori ottici, sepolti fino a 2.500 metri di profondità in un volume di ghiaccio di un chilometro cubo.
«Il ghiaccio è al contempo il supporto per la strumentazione e il rivelatore, e grazie alla sua eccezionale purezza funziona meglio di qualunque altro materiale». Quando un neutrino ad altissima energia, attraversando la Terra, urta occasionalmente un nucleo atomico nel ghiaccio, produce una particella secondaria che emette un debolissimo lampo di luce blu – la cosiddetta radiazione Cherenkov. Sono proprio questi lampi, captati dai sensori, a rivelare la direzione e l’energia della particella di origine.
Per anni la caccia è stata frustrante. «È come guardare il cielo di notte e vedere una sola stella», dice Halzen descrivendo i primi tempi della ricerca. Poi, nel 2013, la svolta: IceCube annuncia la prima evidenza di neutrini di origine extraterrestre ad altissima energia, un risultato che «Science» pubblica come scoperta dell’anno. «Studiando i neutrini si possono vedere cose dell’universo che non si potrebbero osservare in nessun altro modo: è come osservare il lato oscuro della Luna, ma molto più interessante». Tanto da valere ad Halzen, nel febbraio di quest’anno, la Aps Medal for Exceptional Achievement in Research, il massimo riconoscimento della Società Americana di Fisica.
IceCube si inserisce in una famiglia di esperimenti che studiano l’universo con strumenti diversi dai telescopi ottici, ma con logiche differenti. Nei Laboratori nazionali del Gran Sasso, in Abruzzo, la roccia serve a schermare i rivelatori dai raggi cosmici, per studiare neutrini a bassa energia – per esempio quelli prodotti dal Sole o da reattori nucleari – in condizioni di silenzio quasi assoluto. IceCube fa l’esatto contrario: «Usa un volume enorme di materiale trasparente, il ghiaccio, non per schermarsi ma per massimizzare le probabilità di intercettare neutrini di energia altissima, così rari che serve un bersaglio di dimensioni enormi».
Concettualmente simile, ma ancora nelle prime fasi di sviluppo, è KM3NeT, il telescopio di neutrini in costruzione nelle profondità del Mediterraneo, al largo delle coste italiane e francesi. Usa la stessa tecnica Cherenkov, ma nell’acqua di mare anziché nel ghiaccio, e osserva un altro emisfero celeste rispetto a IceCube. Diverso ancora è il principio di LIGO, Virgo e KAGRA, gli interferometri che dal 2015 rivelano le onde gravitazionali prodotte, per esempio, dalla fusione di buchi neri o stelle di neutroni: non particelle, ma increspature dello stesso spaziotempo. «Insieme, neutrini, onde gravitazionali, raggi cosmici e radiazione elettromagnetica sono i diversi “canali” di informazione della cosiddetta astronomia multimessaggera: molti tipi di eventi cosmologici coinvolgono interazioni complesse tra una varietà di processi astrofisici, ciascuno dei quali può emettere indipendentemente segnali caratteristici di un determinato tipo di “messaggero”. Osservare un medesimo evento cosmico da più punti di vista indipendenti permette di ricostruirne la natura in modo molto più completo di quanto farebbe un solo strumento».
Nel 2018, IceCube ha rintracciato per la prima volta un singolo neutrino ad altissima energia fino alla sua probabile sorgente: un blazar, una galassia con un buco nero supermassiccio attivo al centro, distante miliardi di anni luce. Negli anni successivi sono arrivate altre identificazioni: la galassia attiva NGC 1068, nel 2022, e – risultato più recente e per certi versi più sorprendente – l’osservazione di neutrini provenienti dal piano stesso della Via Lattea, la prima «mappa» della nostra galassia costruita con particelle diverse dalla luce.
La prossima tappa si chiama IceCube-Gen2: «Un ampliamento del rivelatore attuale, con un volume di ghiaccio strumentato circa otto volte maggiore, pensato per catturare un numero molto più alto di neutrini cosmici e per individuare con precisione crescente le loro sorgenti. Il progetto prevede anche sensori aggiuntivi per l’osservazione delle particelle a energie più basse, ampliando lo spettro di fenomeni indagabili, dalle esplosioni di supernova alla ricerca di segnali ancora sconosciuti».
Cinquant’anni dopo essere arrivato in Wisconsin per una visita di ricerca che doveva durare sei mesi, Halzen continua a guardare al cielo attraverso il ghiaccio più trasparente del pianeta, convinto che le sorprese più grandi debbano ancora arrivare.