Il Nobel per la Fisica a Francis Halzen

Il Premio Nobel per la Fisica del 2026 è stato assegnato al fisico belga Francis Halzen «per il ruolo chiave nell’osservatorio IceCube e la scoperta dei neutrini ad alta energia provenienti dallo spazio profondo». A partire dagli anni Ottanta Halzen ha contribuito a sviluppare l’idea di usare il ghiaccio dell’Antartide come rivelatore e ha seguito lo sviluppo dell’esperimento fino alla costruzione di IceCube.

IceCube è un osservatorio che si trova in Antartide e sfrutta infatti lo spessore del ghiaccio per studiare i neutrini provenienti dallo Spazio, cioè particelle che attraversano continuamente la Terra e quasi tutta la materia senza interagire. Quando un neutrino collide con un’altra particella nel ghiaccio, può produrre un lampo di luce che viene rivelato da migliaia di sensori. IceCube è stato costruito proprio per intercettare questi segnali, così rari da richiedere un’enorme quantità di ghiaccio. Le osservazioni hanno permesso di rivelare neutrini di origine cosmica, che possono aiutare a capire quali fenomeni producono alcune delle particelle più energetiche dell’Universo.

I neutrini sono particelle prive di carica elettrica e con massa pressoché nulla, per questo interagiscono molto raramente con la materia. Questa loro caratteristica fa sì che possano attraversare enormi distanze senza essere deviati o assorbiti. Il loro studio permette quindi di ottenere informazioni su fenomeni molto lontani ed energetici dell’Universo, anche quando la luce o altre particelle non riescono a farci arrivare quelle informazioni.

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Studiarli non è però semplice a causa della loro natura sfuggente. Ogni secondo miliardi di neutrini attraversano il nostro corpo senza lasciare traccia, ma in rare occasioni può accadere che un neutrino urti il nucleo di un atomo e produca una particella elettricamente carica che può essere osservata.

Negli anni sono stati elaborati vari sistemi per farlo, che prevedono quasi sempre di far attraversare ai neutrini grandi masse di acqua o di ghiaccio, per aumentare la probabilità di coglierne qualcuno.

Fu in questo contesto che negli anni Ottanta Francis Halzen iniziò a pensare alla costruzione di un osservatorio per neutrini sfruttando una delle masse di ghiaccio più grandi del pianeta, quella dell’Antartide. Halzen si occupava di fisica delle particelle e aveva iniziato a dedicarsi allo studio delle particelle provenienti dallo Spazio, oltre che di quelle che si possono studiare sulla Terra all’interno degli acceleratori.

Halzen non era l’unico a pensare all’Antartide. L’idea di sfruttarne i ghiacci per lo studio dei neutrini era venuta in mente anche ad alcuni gruppi di ricerca sovietici, che immaginavano però di cercare i segnali radio prodotti dalle interazioni di queste sfuggenti particelle. Halzen propose qualcosa di diverso: cercare la luce prodotta dalle particelle che si formano quando i neutrini interagiscono con il ghiaccio.

La sua idea fu proposta alla fine degli anni Ottanta. Halzen vedeva nell’Antartide il luogo ideale per i suoi esperimenti. Le basi costruite dalle collaborazioni scientifiche internazionali al Polo Sud offrivano già risorse e infrastrutture per installare un laboratorio. Il ghiaccio era inoltre la massa ideale da sfruttare, visto che a grande profondità è molto buio e ha una bassa radioattività, quindi condizioni utili per distinguere i debolissimi segnali prodotti dai neutrini.

I test potevano essere svolti quasi esclusivamente durante l’estate antartica, tra novembre e febbraio, quando le condizioni permettevano di lavorare all’aperto. Insieme al suo gruppo di ricerca, Halzen ideò un sistema ad acqua calda per fondere il ghiaccio e creare pozzi profondi diversi chilometri, all’interno dei quali venivano poi calati cavi con sensori ottici, che avrebbero dovuto registrare i piccoli lampi di luce prodotti dalle interazioni dei neutrini con la materia presente nel ghiaccio.

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Terminate prove e test, con tutte le difficoltà del caso legate alle condizioni estreme in cui era stato costruito il laboratorio, nel 1993 iniziò la costruzione di AMANDA, il primo grande esperimento antartico per la ricerca dei neutrini. L’esperimento fu inizialmente deludente, perché le bolle d’aria contenute nel ghiaccio superficiale falsavano la lettura dei sensori, diffondendo la luce in modo imprevedibile. I test seguenti a maggiori profondità si rivelarono invece promettenti, ma per ottenere risultati rilevanti occorreva un osservatorio tra i ghiacci molto più grande.

Da quell’esigenza nacque IceCube. Il nome derivava dall’idea di trasformare circa un chilometro cubo di ghiaccio in un gigantesco rivelatore di particelle. Il lavoro per perforare il ghiaccio e inserire i sensori durò diversi anni e fu completato nel 2011. IceCube è formato da 5.160 sensori ottici con profondità che variano fino a circa 2.500 metri, poco sopra il fondo roccioso del continente antartico. I dati raccolti dai sensori vengono inviati in superficie e poi trasmessi a un satellite per essere elaborati.

Proprio come col nostro organismo, nella maggior parte dei casi i neutrini che attraversano il grande cubo non lasciano nessuna traccia. Solo una piccolissima parte interagisce con gli atomi presenti nel ghiaccio e da quell’interazione si originano i lampi di luce. A seconda della forma, della posizione e del momento in cui questa luce viene registrata dai sensori, i gruppi di ricerca possono ricostruire le caratteristiche dell’evento e capire anche da che parte è arrivato il neutrino.

Nonostante la grande profondità del ghiaccio, le interferenze dovute ad altri eventi non mancano. La Terra è continuamente colpita dai raggi cosmici, particelle molto energetiche provenienti dallo Spazio che, quando colpiscono l’atmosfera, producono altre particelle capaci di raggiungere IceCube e generare segnali nei sensori. Anche i neutrini prodotti nell’atmosfera contribuiscono a questo fondo. I ricercatori devono quindi selezionare gli eventi più promettenti e confrontarli con quelli previsti dai modelli, per distinguere i neutrini di origine cosmica dagli altri segnali.

Dal 2013 IceCube permette di rivelare questi eventi e di confermare l’origine cosmica e non terrestre dei neutrini. A differenza di altri osservatori, IceCube ha permesso di cercare neutrini con quantità di energia enormemente superiori a quelle prodotte dal Sole. Sono stati per esempio rilevati 79 neutrini provenienti da NGC 1068, una galassia che si trova a circa 47 milioni di anni luce da noi, e che potrebbe essere una sorgente di neutrini da studiare, ma saranno necessari altri dati per confermarlo. Altre ricerche si sono invece concentrate sui neutrini provenienti dalla nostra galassia e rilevati sempre dall’osservatorio in Antartide.

Lo studio dei neutrini in generale può aiutarci a capire quali oggetti e quali processi producono le particelle più energetiche dell’Universo come i raggi cosmici, e a osservare fenomeni che i telescopi tradizionali non riescono a vedere. Può inoltre fornire informazioni su ambienti estremi, come quelli intorno alle galassie attive, e su come le particelle interagiscono nello spazio tra le stelle. Infine, osservatori come IceCube possono essere usati per cercare segnali di particelle ancora sconosciute e contribuire alla ricerca della materia oscura, che sappiamo esistere perché ne osserviamo gli effetti gravitazionali, ma di cui non conosciamo ancora la natura e le particelle che la compongono.

Mentre si costruiscono altri grandi osservatori di neutrini in giro per il mondo, sfruttando sempre le grandi masse d’acqua, si sta pensando alla costruzione di IceCube-Gen2, un osservatorio ancora più grande, da 8 chilometri cubi di ghiaccio. Aumentare così tanto le dimensioni aumenta le probabilità di intercettare i neutrini cosmici che attraversano il nostro pianeta e capire dove e come vengono accelerate le particelle più energetiche dell’Universo. Dal loro studio, cui Halzen ha dato un contributo fondamentale, potremmo comprendere molte cose sulle caratteristiche e il comportamento della materia. In sostanza, su tutto.

Francis Halzen è nato nel 1944 a Tienen, in Belgio. Ha conseguito il dottorato nel 1969 alla KU Leuven e dal 1987 è professore all’Università del Wisconsin-Madison, negli Stati Uniti.