KM3NeT-ARCA: Un occhio verso il cielo da sotto il mare

Il telescopio KM3NeT-ARCA, anche chiamato KM3NET-It, è la branca italiana del progetto KM3NET. Un telescopio per la ricerca di neutrini; come si evince dal nome: Cubic Metre Neutrino Telescope. Il luogo di costruzione della parte italiana è Portopalo di Capo Passero, SR. Sarà coadiuvato quando operativo da KM3NeT-Fr, al largo della città di Tolone e KM3NeT-Gr, al largo di Navarino.

Il precursore di KM3NeT-ARCA: NEMO

Il NEMO, Neutrino Mediterranean Observatory, era un progetto di un telescopio sottomarino sviluppato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Questo progetto serve come base del progetto KM3NeT-ARCA, perché si basa sulla stessa tecnologia. Infatti, si tratta in tutti e due i casi di un rilevatore Cerenkov. Questo rilevatore basa la ricerca dei neutrini sulle emissioni di radiazioni di Cerenkov, da cui il nome del rilevatore. La costruzione del telescopio KM3NeT-ARCA ingloberà il progetto NEMO. Infatti, il telescopio KM3NeT verrà costituito da tre diversi progetti simili. Il primo per costruzione è stato KM3NeT-Fr, o ANTARES. Questo è stato completato nel 2008 dopo che gli studi sono cominciati nel 2000.

NEMO si divide in due fasi. La prima, NEMO 1 è il prototipo. È stato costruito in un luogo diverso da Portopalo, precisamente al largo di Catania. In questa fase si è oltretutto fatta una scoperta completamente diversa. La quantità di capodogli del mediterraneo è risultata molto sottostimata rispetto a quanto ci si aspettasse. Questa installazione è stata poi seguita da NEMO 2, che inoltre è stato il primo nucleo di KM3NeT-It. Anche se poi per il pieno regime di KM3NeT-It e KM3NeT-ARCA è servito un aggiornamento della struttura.

Come si rilevano i neutrini?

I neutrini sono particelle subatomiche (fermioni) neutre, come dice il nome. Vista la loro neutralità elettrica, interagiscono con la materia solo attraverso le interazioni gravitazionale e debole. Di conseguenza, si può immaginare come interagiscano raramente con la materia. Da qui la necessità di costruire rilevatori di neutrini giganteschi. Più è grande il telescopio o rilevatore, più facile è che il rilevatore interagisca con i neutrini. Inoltre, l’interazione gravitazionale è molto difficile da rilevare, Si rimane solo con l’interazione debole.

Vista la difficoltà a rilevare questi fermioni, è inoltre necessario schermare i rilevatori da tutti i tipi di rumori di fondo. Tipi di rumori che possono ostacolare il rilevamento di neutrini sono i raggi cosmici, le radiazioni provenienti dal sole e molti altri tipi di radiazioni e rumori di fondo. Di conseguenza sono solitamente posizionati in fondo al mare o in miniere non più in uso. Un esempio di questo tipo di costruzioni sotto a molti chilometri cubi di roccia sono i laboratori nazionali del gran sasso, sempre gestiti dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Questo laboratorio è il più grande complesso laboratoriale sotterraneo al mondo.

Il progetto KM3NeT-ARCA

Il progetto di questo telescopio si basa pesantemente sui telescopi sottomarini già progettati, soprattutto quelli in mare. Infatti, raccoglie l’eredità di telescopi quali DUMAND che doveva essere costruito al largo dell’arcipelago delle Hawaii, di AMANDA-IceCube e del Baikal Deep Underwater Neutrino Telescope. Il telescopio KM3NeT-ARCA sarà ad una profondità di 3400m, per i motivi già presentati. Questo occuperà un volume di fondale e di mare di almeno un kilometro cubo (da qui il KM3 nel nome).

Il fondale sarà formato da diverse stelle, ognuna formata da più unità di rilevazione. Queste unità di rilevazione sono formate da più sensori ancorati uno all’altro su un cavo con sviluppo verticale attorno ai 700m nel caso di ARCA. Nello sviluppo verticale delle unità di rilevazione ci sono i sensori veri e propri, chiamati Moduli ottici digitali (DOM). La cosa più importante di questo telescopio è che quando arriverà l’operatività di KM3NeT-ARCA, questi si potrà interfacciare con IceCube, Km3NeT-ORCA (KM3NeT-Fr) e KM3NeT-Gr

I DOM

Questi moduli sono il modulo centrale del telescopio KM3NeT-ARCA. Senza di questi, il telescopio non assolverebbe le sue funzioni. Difatti, questi moduli servono a captare la radiazione o luce di Cherenkov che permette di trovare i neutrini. Questi moduli sono molto complessi perché gli è richiesto un numero di informazioni molto alto. Registrano l’intensità della radiazione di Cherenkov, il sensore e la posizione geometrica dello stesso.

Questi sensori sono formati da uno spesso involucro di vetro per resistere alla pressione dell’acqua. Infatti, anche se alcune sfere saranno a 2700m di profondità, ce ne sarà un numero non trascurabile alla quota di 3400 m di profondità. Va da se comprendere la pressione agente su queste sfere, a tale profondità. Secondo una regola empirica, 3400m segnano una pressione 340 volte più alta di quella atmosferica. Dentro a questa sfera di vetro, ci saranno 31 tubi fotomoltiplicatori, che, come dice il nome, moltiplicano la radiazione di Cherenkov dei neutrini. Questi fotomoltiplicatori hanno bisogno di molta energia, che arriverà attraverso i cavi sottomarini che li collegano alla stazione di terra.

KM3NeT-ARCA: ARCA

L’ARCA, che sta per Astronomical Research with Cosmics in the Abyss, è quello che sarà a pieno regime KM3NeT-It, quindi l’installazione italiana del progetto. Questo serve a comprendere meglio l’universo, specificatamente il flusso di neutrini, riuscendo meglio a comprendere da dove vengono queste particelle. In questo telescopio ci saranno 24 unità di rivelazione in due cerchi di 500 m di diametro. Questo progetto è molto più esteso di quello francese, perché KM3NeT-ORCA dovrà misurare la gerarchia massica dei neutrini, richiedendo un’estensione molto minore.

KM3NeT-ARCA: L’installazione

L’installazione del progetto KM3NeT-ARCA, come si può immaginare, è stata lunga. Inizialmente è stato installato NEMO-2, servito da prototipo. Successivamente, sono stati installati i cavi ottici ed elettrici per rifornire di energia la stazione e per trasmettere le informazioni. Tutte le informazioni verranno trassmesse via cavo. L’Istituto nazionale di fisica nucleare ha affidato la gestione di questa operazione ad Elettra TLC SpA. Questa azienda e la loro nave posacavi Certamen hanno eseguito tutti i collegamenti.

In seguito, si sono dovuti installare le unità di rilevazione e i DOM. Il consorzio KM3NeT ha affidato tutto questo alla nave di supporto Ambrosius Tide. Per rendere questa operazione più agevole, si è progettato un sistema integrato per la messa in mare dei sensori. Infatti, tutti i DOM all’interno di un’unità di rilevazione sono contenuti dentro a una struttura sferica, in cui i DOM sono già collegati tra loro tramite l’unità di rilevazione. Questa struttura viene ancorata al fondale attraverso i cavi sottomarini già installati in precedenza. Infatti, sarà proprio l’ancora a interfacciare l’unità con i cavi sottomarini. Una volta che i cavi e i rilevatori sono collegati, l’unità di rilevazione è srotolata. Mentre si srotola da sola si svilupperà in verticale. Alla fine, la struttura sferica galleggerà e potrà essere recuperata e riutilizzata.