Programma Webinar:

Ecco l'agenda dei webinar offerti. N.B. Il link zoom che trovate cliccando sul bottone qui sopra è sempre lo stesso.

• ---- Prima parte
  
• 18:30 19:00 - Francesco Filippini: Neutrini Astrofisici e Astronomia Multi-messaggera
• 19:10 19:40 - Francesco Benfenati: Tecnologia e funzionamento del telescopio sottomarino
• 20:00 20:30 - Simone Dalle Fabbriche: il Posizionamento Acustico del telescopio sottomarino
• ---- Ripetizione
• 21:00 21:30 - Francesco Filippini: Neutrini Astrofisici e Astronomia Multi-messaggera
• 21:40 22:10 - Francesco Benfenati: Tecnologia e funzionamento del telescopio sottomarino
• 22:20 22:40 - Simone Dalle Fabbriche: il Posizionamento Acustico del telescopio sottomarino
• ---- Fine serata
• 22:40 - 23:15 - Fisico Online: domande libere 

Nel testo che segue troverai un sommario degli argomenti trattati nei webinar.

Presto troverai anche le registrazioni dei webinar. 

Non fermarti qui: continua a leggere!

Chi siamo? Cosa siamo?

KM3NeT è un’infrastruttura scientifica multidisciplinare, posta sul fondo del Mar Mediterraneo, che ospita una rete di telescopi sottomarini di neutrini: il telescopio ARCA, situato a una profondità di circa 3.500 m, a circa 100 km al largo di Porto Palo di Capo Passero, in Sicilia, avrà un volume superiore a 1 km3 e consentirà agli scienziati di identificare i neutrini di alta energia provenienti da eventi catastrofici nell'Universo. Un telescopio più piccolo, ORCA, posto di fronte alla costa della Francia meridionale a circa 2500 m di profondità, sarà utilizzato per studiare le proprietà fondamentali del neutrino, attraverso la rivelazione dei neutrini atmosferici.

Perché i neutrini?

Il neutrino è una particella elementare che viene emessa in gran numero in moltissimi processi astrofisici. Non ha carica elettrica, ha una massa piccolissima e interagisce pochissimo con la materia distribuita nello spazio. Per queste ragioni, attraversa distanze cosmologiche senza perdere energia né modificare la sua traiettoria, portando con sé inalterate le informazioni sulla direzione della sorgente. Queste caratteristiche lo rendono un candidato ideale per esplorare le zone più lontane l’universo. Ha un solo difetto: per riuscire a vedere neutrini sono necessari rivelatori enormi! I neutrini non interagiscono facilmente non solo nel loro viaggio attraverso l'universo, ma nemmeno quando i fisici cercano di contarli...

Per saperne di più sulle sorgenti di neutrini astrofisici, non perderti il webinar di Francesco Filippini!

Leggi anche l'approfondimento "Le sorgenti astrofisici dei neutrini"

Cosa è un telescopio sottomarino?

Di tanto in tanto un neutrino interagisce con l'acqua del mare e la sua energia si trasforma in uno sciame di particelle. Ricordate la famosa equazione E=mc2 !! Molte tra queste hanno carica elettrica e viaggiano più velocemente della luce nell'acqua. In queste condizioni, sul loro tragitto viene emessa della luce grazie a un fenomeno chiamato "effetto Cherenkov", dal nome del fisico che lo scoprì.

Il telescopio sottomarino di neutrini ARCA è un reticolo tridimensionale di sensori ottici, degli "occhi elettronici" estremamente sensibili capaci di "vedere" la debole luce Cherenkov emessa lungo il percorso delle particelle cariche ultra-relativistiche prodotte nelle interazioni di neutrini in prossimità del telescopio.

Qualcuno può stupirsi nel sentir chiamare telescopio un rivelatore nascosto sotto chilometri di acqua di mare. Siamo abituati ad associare questa parola a degli strumenti puntati verso il cielo. Ma la parola telescopio indica uno strumento che "guarda lontano" e in effetti i nostri telescopi cercano neutrini che arrivano da sorgenti lontanissime, talvolta invisibili con gli strumenti ottici a cui siamo abituati.

Per saperne di più sulla tecnologia ed il funzionamento di un telescopio di neutrini, non perderti il webinar di Francesco Benfenati!

... e continua a leggere...

Perché il rivelatore è negli abissi marini?

I neutrini sono particelle molto elusive, quindi le loro interazioni sono un evento piuttosto raro. Per questo motivo un rivelatore di neutrini deve operare in un ambiente "silenzioso", dove l'assenza di rumore non è legata alla mancanza di suoni, ma alla riduzione della "radiazione cosmica". Bisogna ricordare che nello spazio moltissimi nuclei carichi si muovono liberamente e, quando incontrano la Terra sul loro percorso, urtano l'atmosfera e danno origine a sciami di particelle cariche e neutre che raggiungono la superficie terrestre. In questo breve video si vede una ricostruzione al computer di cosa succede quando un nucleo di idrogeno con molta energia urta l'atmosfera.

Le profondità del mare offrono molti vantaggi!

• - uno spessore di acqua di alcuni chilometri rappresenta uno schermo efficace che assorbe la maggior parte delle particelle cariche prodotte dai raggi cosmici (nuclei di alta energia) che interagiscono con l'atmosfera. Anche la luce solare non raggiunge la profondità a cui si trovano i nostri telescopi.
• - l'acqua di mare è trasparente, così la luce Cherenkov riesce a raggiungere i sensori ottici con poca attenuazione.
  
• - infine, l'acqua che ospita e circonda il telescopio di neutrini funziona come un enorme bersaglio messo a disposizione gratuitamente dalla natura: i sensori ottici tengono d'occhio oltre 1 chilometro cubo di acqua di mare.
  

Qualche dettaglio in più

In questi brevi filmati si vede come la luce emessa il percorso di una particella carica raggiunge gli "occhi del telescopio", rappresentati da palline disposte verticalmente. Qualche dettaglio in più sulla tecnologia del telescopio viene fornito più avanti.

Nel primo filmato si vedono alcuni "muoni" provenienti dal cielo sovrastante il telescopio.  I "muoni" sono particelle cariche molto energetiche, prodotte dai raggi cosmici che interagiscono nell'atmosfera, sono gli ultimi residui carichi della radiazione cosmica e vengono solo in parte fermati dagli oltre 2000 metri di acqua di mare. Molti di essi raggiungono il telescopio e vengono "visti" dai sensori ottici.

Per quanto producano eventi spettacolari, rappresentano un rumore fastidioso che copre il segnale dovuto ai neutrini astrofisici.

Il solo modo per ignorarli è cercare le tracce che provengono dal basso. La Terra riesce a fermare completamente i muoni e le particelle che muovendosi dal basso verso l'alto attraversano il telescopio sono sicuramente state originate dai neutrini che interagiscono in prossimità del rivelatore. La maggior parte tuttavia non proviene da sorgenti astrofisiche lontane bensì sono anch'essi residui della radiazione cosmica e vengono denominati "neutrini atmosferici". Un esempio di neutrini provenienti dal basso è fornito in questo secondo filmato.

In altre parole possiamo dire che un telescopio di neutrini guarda il cielo che ha sotto i piedi...

Gli occhi elettronici del telescopio di neutrini

I sensori ottici che rivelano la luce Cherenkov tecnicamente sono chiamati Moduli Ottici Digitali [Digital Optical Modules  (DOM) all'inglese].

Questa è la foto di un DOM.

Ciascun DOM è ospitato dentro una sfera di vetro costruita in modo da resistere alla pressione esercitata dall’acqua sul fondo del mare. Approssimativamente una colonna d'acqua alta 10 metri pesa quanto una colonna di atmosfera (a parità di superficie). Si dice che la pressione aumenta di un'atmosfera per ogni 10 metri di immersione sott'acqua. In altre parole, a
3400 m di profondità si avrà una pressione 340 volte  quella atmosferica.

In ogni sfera, ci sono 31 tubi "fotomoltiplicatori" che, come dice il nome, moltiplicano la debole luce Cherenkov dovuta alle particelle cariche prodotte nelle interazioni dei neutrini.

I DOM sono distribuiti su lunghe stringhe flessibili per formare le cosiddette Detection Unit [DU], unità di rivelazione, Ciascuna DU porta 18 DOM. Alcune boe, all'estremità superiore della DU, mantiene tese le stringhe che, tuttavia, sono libere di fluttuare per l'azione delle correnti sottomarine.

Un lunghissimo cavo, circa 100 km, che trasporta sia l'energia elettrica indispensabile per far funzionare tutto il telescopio che i segnali raccolti dai sensori ottici, garantisce il collegamento tra i DOM e la stazione di controllo posta sulla terraferma. Nella stazione a terra, un potente sistema di calcolatori riceve le informazioni sulla quantità di luce raccolta, il tempo in cui il "lampo" di luce ha raggiunto il modulo ottico e la posizione di questo e, attraverso degli algoritmi molto complessi, ricostruisce la direzione di arrivo del neutrino.

Questa è la foto di una Detection Unit nel laboratorio dove viene costruita. Si vedono i DOM, le funi che legano fra loro i moduli ottici e i cavi che trasportano il segnale e l'energia elettrica.

Questa è la stazione di terra, al porto di Porto Palo di Capo Passero, in Sicilia.

Questa è una raffigurazione schematica di un blocco del telescopio. Il progetto finale prevede la costruzione di 2 blocchi nel sito italiano (ARCA), per un totale di 230 stringhe alte circa 800 metri, e 1 blocco nel sito francese (ORCA) con stringhe alte 200 m. I due numeri indicati nella figura si riferiscono alle dimensioni di ORCA (il telescopio piccolo, in Francia) e di ARCA (il telescopio più grande, in Sicilia) rispettivamente.

Le stringhe, non essendo strutture rigide, sono soggette alla spinta delle correnti marine e, anche se lentamente, modificano continuamente il loro assetto verticale. Occorre quindi registrare ogni loro spostamento nel tempo, altrimenti la ricostruzione delle tracce delle particelle sarebbe imprecisa. A questo scopo è in funzione il cosiddetto  sistema di posizionamento acustico. Esso si basa sull'emissione di segnali sonori da parte di speciali emettitori sparsi nel volume del telescopio. La rivelazione di tali segnali da opportuni sensori alloggiati nei DOM e nelle basi delle stringhe,  permette di fare una vera e propria triangolazione.  

Per saperne di più sul sistema di posizionamento acustico , non perderti il webinar di Simone Dalle Fabbriche!

L'installazione del telescopio

Per consentire la deposizione di una stringa sul fondo del mare è stato elaborata una strategia piuttosto complessa ma molto efficiente. Una volta completata la costruzione e l'integrazione della stringa, questa viene avvolta attorno a una struttura sferica di alluminio, il Launcher of Optical Module (LOM), proprio come un filo di lana attorno a un gomitolo.

I LOM vengono poi opportunamente impacchettati e caricati su una nave che li trasporta sulla verticale del sito di installazione. Qui ci sono alcuni filmati che mostrano diverse fasi dell'installazione di stringhe nel sito di ARCA e in quello di ORCA.

Degli esperti tecnici di operazioni marine rilasciano in acqua il LOM con il suo prezioso carico di moduli ottici. Quando il LOM, ben zavorrato con un'ancora, raggiunge il fondo del mare, viene attivato un meccanismo di rilascio automatico che consente alla stringa di "srotolarsi" e distendersi nell'acqua. Infine un piccolo sottomarino, manovrabile dalla nave, afferra il cavo della stringa e lo collega a una cosiddetta Junction Box. La Junction Box può essere pensata come una grande "ciabatta elettrica multipresa", concettualmente analoga a  quelle che abbiamo in casa e a cui colleghiamo molti dispositivi elettrici, ma molto molto più complicata, il cui scopo è quello di distribuire l'energia elettrica alle stringhe e di scambiare dati e informazioni tra stringhe e stazione a terra.

Questo filmato mostra l'installazione di una di queste Junction Box:

Dopo lo srotolamento della stringa il LOM, ritorna alla superficie del mare dove viene recuperato per poter essere riutilizzato con un'altra linea.

Questo filmato mostra in poco più di 9 minuti la storia di una Detection Unit, dalla sua integrazione fino al collegamento alla Junction Box.