KM3NeT_Italia

Progetto KM3NeT Italia

La rivelazione di neutrini cosmici di alta energia è considerata uno dei principali obiettivi della ricerca nel campo della fisica astro-particellare. La rivelazione di questi neutrini, aprendo una nuova finestra di osservazione astrofisica, permetterà di accedere a una visione completamente nuova dell’Universo fornendo delle risposte essenziali ad alcune delle questioni ancora aperte sulla sua natura ed evoluzione.

La grande difficoltà di rivelazione dei neutrini impone la realizzazione di strumenti di osservazione (telescopi) di dimensioni dell’ordine di un kilometro cubo da installare nelle profondità marine del Mediterraneo o, come nel caso del telescopio IceCube, nei ghiacci dell’Antartide.

Una collaborazione a conduzione USA, ha recentemente completato la costruzione nei ghiacci dell’Antartide del telescopio IceCube, che è il primo strumento di questa scala di volume (1 km3 ).

La sua collocazione al Polo Sud permette però di osservare solo metà del cielo (l’emisfero Nord).

La frazione di cielo osservata, inoltre, non include alcune delle regioni più interessanti, quali il centro della nostra galassia, e copre solo parzialmente il piano galattico in cui si trovano quasi tutte le principali sorgenti di neutrini candidate. La comunità scientifica ha pertanto raccomandato la costruzione di un secondo e più potente strumento complementare, collocato nell’emisfero boreale nelle profondità marine.

Dopo una serie di esperimenti pilota e la realizzazione di alcuni “dimostratori” di scala ridotta, la tecnologia per la costruzione di un telescopio sottomarino per neutrini può considerarsi oggi matura per affrontare la costruzione di un rivelatore della scala richiesta ad alta profondità (>3000 m) nel Mar Mediterraneo.

Da una decina d’anni l’INFN ha avviato con il progetto NEMO un’intensa attività di ricerca e sviluppo in questa direzione. Nell’ambito del progetto Nemo la collaborazione ha effettuato una serie di campagne marine (circa 30) per l’identificazione e caratterizzazione di un sito ottimale per l’installazione situato al largo delle coste di Capo Passero (SR) ad una profondità di 3500 metri sotto il livello del mare. Inoltre sono state sviluppate e validate le principali soluzioni tecnologiche per la costruzione dell’apparato.

Il progetto è inserito nel Piano Triennale dell’INFN tra le infrastrutture di ricerca che l’Istituto intende realizzare nei prossimi anni.

Per queste attività l’INFN si è dotato, presso i Laboratori Nazionali del Sud, di due stazioni sottomarine: un Test Site al largo di Catania a 2000 m di profondità ed una al largo di Capo Passero a 3500 m di profondità sul sito candidato.

Le attività della collaborazione NEMO sono recentemente confluite nell’ambito del consorzio europeo KM3NeT insieme alle altre collaborazioni europee attive nel settore, con l’obiettivo di realizzare un’infrastruttura di rilevanza pan-europea che rappresenti il passo decisivo per l’avvio dell’astronomia con neutrini. Il consorzio europeo KM3NeT è stato cofinanziato dalla EC per le attività preparatorie con due progetti: un Design Study, già concluso, e un Preparatory  Phase che sarà completato ad inizio 2012. KM3NeT è inserito tra le infrastrutture di ricerca di rilevanza paneuropea individuate nella roadmap dell’European Strategy Forum on Research Infrastructures (ESFRI), la cui realizzazione è ritenuta necessaria per garantire all’Europa la massima competitività nella ricerca nei prossimi 25 anni.

Il progetto è anche inserito con elevata priorità nelle principali roadmap europee della ricerca, quali quella elaborata dall’Astro Particle ERAnet (ASPERA) per la fisica astroparticellare e lo “Strategic Plan for European Astronomy” dell’Astronomy ERAnet (ASTRONET). È inoltre presente nei piani di sviluppo programmatici dei principali istituti ed agenzie europee che partecipano al consorzio (INFN, Italia; CNRS, Francia; FOM, Olanda, ...).

L’esperienza e i risultati già conseguiti dalla collaborazione NEMO hanno permesso ai ricercatori italiani di acquisire un ruolo di grande rilevanza nell’ambito del consorzio KM3NeT, chiaramente testimoniato dall’assegnazione all’INFN del coordinamento del progetto di Preparatory Phase .

Nell’ambito di KM3NeT sono state definite le tecnologie per la costruzione. Schematicamente KM3NeT consisterà di un insieme di strutture verticali di rivelazione di circa 900 m di altezza, realizzate come descritto nel seguito. Queste strutture saranno posate sul fondo del mare e interconnesse tra di loro mediante una rete di cavi elettro-ottici sottomarini e di nodi di interconnessione (Junction Boxes). La rete di strutture sul fondo del mare sarà poi connessa a terra mediante un cavo elettro-ottico principale che garantisce l’alimentazione e la trasmissione dati a terra su fibra ottica.

L’obiettivo finale di KM3NeT è di costruire un telescopio significativamente più sensibile di IceCube, raggiungendo un volume complessivo di circa 5 kilometri cubi con l’installazione di un totale di 300 strutture a torre. Nell’ambito del consorzio Europeo sono state effettuate le scelte tecnologiche principali, giungendo ad un progetto costruttivo delle unità di rivelazione ed alla realizzazione di prototipi che è oggi in corso.

Considerazioni di natura scientifica e tecnologica suggeriscono di realizzare il rivelatore come un insieme di blocchi indipendenti, ciascuno costituito da circa 100 strutture.

Tre siti sono canditati per l’installazione: Capo Passero (SR) in Italia; Tolone in Francia; Pylos in Grecia. A Capo Passero l’INFN ha già realizzato un’infrastruttura comprendente un cavo elettroottico da 100 km e la stazione di terra ed ha installato un primo modulo di sistema di potenza.

procedendo con un programma di test su prototipi. Attività analoghe sono state avviate a Tolone.

Nello schema delineato, ogni sito potrebbe ospitare uno dei suddetti blocchi, realizzando una infrastruttura distribuita gestita da un unico consorzio internazionale realizzato sul modello forma legale ERIC (European Research Infrastructure Consortium) della EC che introduce agevolazioni fiscali e prevede un’unica gestione internazionale.

La natura intrinsecamente modulare del rivelatore permette inoltre di costruirlo per stadi successivi di crescente sensibilità e consente anche di acquisire dati scientifici di grande interesse sin dall’installazione delle prime componenti.

L’infrastruttura che si propone di realizzare con il presente progetto costituirà il nodo italiano di KM3NeT, denominato KM3NeT-Italia.

Le tecnologie per la realizzazione del telescopio per neutrini in un ambiente particolarmente ostile come gli abissi marini, sviluppate nel corso degli ultimi anni dalle collaborazioni Antares, Nemo e Nestor (che recentemente sono confluite nel consorzio europeo KM3NeT), hanno rappresentato un significativo passo in avanti anche per altre comunità scientifiche interessate allo studio degli ambienti marini profondi. Le esigenze di KM3NeT in termini di potenza, trasmissione dati e strutture meccaniche hanno richiesto lo sviluppo di tecnologie estremamente avanzate che consentono oggi di realizzare una infrastruttura sottomarina cablata connessa a terra in tempo reale.

Il progetto prevede pertanto il potenziamento dell’infrastruttura di ricerca sottomarina di Capo Passero con la realizzazione di un primo blocco del telescopio per neutrini cosmici di alta energia nonché di una serie di nodi che consentiranno la connessione con una modalità “plug-and-play” di osservatori multidisciplinari per ricerche nel campo delle scienze della Terra e del Mare. Questi ultimi saranno sviluppati e coordinati nell’ambito del progetto europeo EMSO, che prevede la realizzazione di una rete di monitoraggio lungo l’intero margine delle coste europee, con il quale è da tempo stabilita una particolare sinergia finalizzata all’ottimizzazione nell’utilizzo delle risorse e con le altre agenzie interessate a programmi di ricerca nel settore delle scienze del mare.

L’attività di ricerca e sviluppo, già realizzata e in corso d’opera, ha prodotto rilevanti risultati a livello tecnologico e scientifico. Tali risultati, ottenuti grazie alla soluzione dei problemi scientifici e tecnologici via via presentatisi nello studio e nella sperimentazione preliminare e di raccolta dati, consentono oggi di ottimizzare il progetto definitivo per la sua massima resa. Il progetto procederà con l’istallazione progressiva delle strutture meccaniche che sorreggono i sensori di rivelazione presso il sito sottomarino di Capo Passero, dov’è già istallato e operante il cavo sottomarino elettro-ottico che alimenterà le stazioni sottomarine e trasmetterà in fibra ottica le informazioni rivelate dai sensori.

Le strutture di rivelazione saranno disposte sul fondo del mare alla profondità di circa 3500 m con una configurazione di tipo esagonale spaziate di circa 150 m e saranno interconnesse tra di loro mediante una rete di cavi elettro-ottici sottomarini e di Junction Boxes. Questa rete di strutture sul fondo del mare sarà poi connessa alla stazione di terra di Portopalo a Capo Passero mediante il cavo elettro-ottico principale già esistente, che garantirà l’alimentazione e la trasmissione dati a terra su fibra ottica. Inoltre, la stazione di terra sarà connessa con un  collegamento dati ad alta velocità (10 Gb/s) con la sede dei Laboratori Nazionali del Sud a Catania, consentendo così l’accesso ai dati in tempo reale a tutti i membri del consorzio europeo.

Grazie alla sua intrinseca modularità, l’infrastruttura proposta nel presente progetto di potenziamento potrà essere ulteriormente ampliata fino a raggiungere il numero di circa 100 strutture di rivelazione previsto come obiettivo di KM3NeT-Italia.

La realizzazione del progetto di potenziamento proposto consentirà quindi di disporre e rendere operativo un laboratorio multidisciplinare sottomarino a grande profondità con caratteristiche uniche, il laboratorio di terra e i sistemi a tecnologia avanzata in grado acquisire e gestire elevate quantità di dati provenienti dai rivelatori sottomarini.