IceCube completa l’upgrade al Polo Sud: nuovi sensori e 600 moduli per rivoluzionare lo studio dei neutrini

L’IceCube Neutrino Observatory al Polo Sud completa un upgrade strategico con nuovi sensori ottici mDOM e D-Egg, sei stringhe aggiuntive e perforazioni a 2,4 km di profondità. Analisi tecnica dell’espansione e delle implicazioni per la fisica dei neutrini e l’astronomia multimessaggera.

L’IceCube Neutrino Observatory, installato presso la Amundsen-Scott South Pole Station in Antartide, ha completato il più significativo potenziamento dalla sua entrata in funzione, avvenuta quindici anni fa. L’upgrade, approvato nel 2019 dalla U.S. National Science Foundation (NSF) insieme a partner istituzionali statunitensi e internazionali, è stato interamente dispiegato dopo tre stagioni operative consecutive sul campo, tra il 2023 e il 2026.

L’intervento introduce nuove stringhe strumentate, sensori ottici di nuova generazione e dispositivi di calibrazione avanzati, rafforzando in modo sostanziale la capacità del rivelatore di misurare le proprietà dei neutrini e di ricostruire con maggiore precisione eventi astrofisici estremi.

IceCube: struttura e principio di funzionamento

IceCube occupa un volume di un chilometro cubo di ghiaccio antartico. La scelta di questo ambiente deriva dalle sue proprietà ottiche: il ghiaccio profondo del Polo Sud presenta un’elevata trasparenza e un bassissimo livello di impurità, condizioni ideali per la rivelazione della luce di Cherenkov.

Il rivelatore è composto da oltre 5.000 sensori ottici digitali distribuiti lungo 86 stringhe verticali immerse nel ghiaccio a profondità comprese tra circa 1.450 e 2.450 metri. Quando un neutrino interagisce con un nucleo atomico nel ghiaccio, produce particelle cariche secondarie che si muovono a velocità superiori a quella della luce nel mezzo. Questo fenomeno genera un debole lampo di luce blu, registrato dai sensori.

L’analisi dei tempi di arrivo e dell’intensità della luce consente di ricostruire:

• direzione di provenienza del neutrino;
• energia dell’evento;
• tipologia o “flavor” del neutrino (elettronico, muonico, tau).

Questa infrastruttura ha già permesso di identificare neutrini di origine astrofisica, di associare due galassie a emissioni di neutrini ad alta energia e di osservare un segnale proveniente dalla Via Lattea.

L’upgrade: sei nuove stringhe e oltre 600 sensori aggiuntivi

Il progetto di potenziamento introduce sei nuove stringhe collocate nella regione centrale inferiore dell’array esistente. L’area di installazione è più densamente strumentata rispetto alla configurazione originale, con l’obiettivo di incrementare la risoluzione spaziale e migliorare la sensibilità agli eventi a energia più bassa.

Complessivamente, l’upgrade aggiunge oltre 600 nuovi sensori ottici e strumenti di calibrazione. Le nuove stringhe si integrano tra l’array principale, ottimizzato per neutrini nell’intervallo dei TeV, e l’estensione a bassa energia già operativa, nota come DeepCore.

Questa configurazione ibrida consente una copertura più ampia dello spettro energetico e apre la strada a misure più accurate delle oscillazioni dei neutrini atmosferici.

Nuove tecnologie di rivelazione: mDOM e D-Egg

Uno degli elementi centrali dell’upgrade è l’introduzione di due nuove tipologie di moduli ottici:

mDOM – Multi-PMT Digital Optical Module

Il mDOM integra più fotomoltiplicatori all’interno di un singolo involucro sferico. Questa configurazione aumenta la superficie sensibile e migliora la capacità di discriminare la direzione della luce incidente.

Rispetto ai moduli tradizionali, l’mDOM offre:

• sensibilità da due a tre volte superiore;
• maggiore granularità angolare;
• ridondanza interna dei sensori.

D-Egg – Dual Optical Sensors in an Ellipsoid Glass for Gen2

Il D-Egg utilizza due sensori ottici disposti in un involucro ellissoidale in vetro. Questa configurazione migliora la copertura angolare e consente una registrazione più uniforme dei segnali luminosi.

Entrambi i moduli rappresentano un banco di prova per l’estensione futura denominata IceCube-Gen2, che, se realizzata, potrebbe raggiungere un volume strumentato pari a circa otto volte quello attuale.

Oscillazioni dei neutrini e misure di lungo raggio

Uno degli obiettivi scientifici principali dell’upgrade riguarda le oscillazioni dei neutrini, fenomeno quantistico per cui i neutrini atmosferici possono cambiare “flavor” durante la propagazione.

La maggiore densità strumentale nella regione centrale consente:

• misure più precise dei parametri di oscillazione;
• riduzione delle incertezze sistematiche;
• migliore separazione tra segnali e fondo atmosferico.

IceCube si configura così come un esperimento di riferimento per studi di oscillazione a lungo raggio basati su neutrini atmosferici, complementare ai grandi esperimenti su fascio artificiale.

Caratterizzazione del ghiaccio e rianalisi dei dati storici

I nuovi dispositivi includono strumenti di calibrazione ad alta precisione, sviluppati da team negli Stati Uniti, in Germania, Svezia e Corea. Una migliore conoscenza delle proprietà ottiche del ghiaccio circostante consente di:

• raffinare i modelli di propagazione della luce;
• migliorare la ricostruzione delle tracce;
• reinterpretare quindici anni di dati archiviati.

La possibilità di rianalizzare dataset storici con modelli aggiornati rappresenta un moltiplicatore scientifico, poiché consente di estrarre nuova informazione senza ulteriori campagne osservative.

Composizione dei raggi cosmici e supernove galattiche

L’upgrade incrementa la capacità di determinare la composizione dei raggi cosmici primari attraverso l’analisi delle interazioni atmosferiche e dei neutrini secondari prodotti.

Inoltre, la sensibilità migliorata consente una risposta più accurata a eventi transitori come le supernove galattiche. Un’esplosione stellare nella Via Lattea produrrebbe un intenso flusso di neutrini a bassa energia; una rete di rivelatori più sensibile aumenta la probabilità di identificare con chiarezza il segnale.

Logistica estrema: perforazioni a 2,4 chilometri di profondità

La realizzazione dell’upgrade ha richiesto tre stagioni operative consecutive di circa dieci settimane ciascuna. L’installazione si è conclusa durante la stagione 2025-2026 con la perforazione di sei nuovi fori profondi circa 1,5 miglia, equivalenti a oltre 2.400 metri.

Il sistema di perforazione utilizzato è un impianto ad acqua calda da 5 megawatt, il più grande al mondo nella sua categoria. Ogni foro ha richiesto circa tre giorni di lavoro continuo, con turni operativi attivi 24 ore su 24.

Le prime due stagioni sono state dedicate alla revisione e al collaudo delle attrezzature, alla preparazione del campo di perforazione e alla protezione dei componenti sensibili dalle temperature estreme, mediante stoccaggio in aree riscaldate.

Cooperazione internazionale e contributi tecnologici

Il progetto ha coinvolto oltre 450 scienziati appartenenti a 58 istituzioni in diversi Paesi. Contributi rilevanti includono:

• Germania e Giappone: sviluppo dei nuovi sensori ottici;
• Svezia: cavi di superficie;
• Stati Uniti: cavi principali, coordinamento logistico, perforazione e test dei sensori.

L’operazione si è svolta in stretta collaborazione con l’Antarctic Support Contract e con il personale della stazione polare, elemento determinante per completare l’installazione in un’unica stagione di perforazione.

Installazioni scientifiche complementari

L’upgrade ha offerto l’opportunità di integrare altre iniziative scientifiche. In collaborazione con l’U.S. Geological Survey, sono stati installati due sismometri sotto il ghiaccio, attualmente i più profondi al mondo. Questi strumenti migliorano il monitoraggio globale dei terremoti grazie a una riduzione significativa del rumore ambientale.

Parallelamente, sono stati raccolti campioni d’acqua destinati a ricerche microbiologiche statunitensi finalizzate allo studio di eventuali tracce di vita nel ghiaccio profondo.

Commissioning e prospettive verso IceCube-Gen2

Con il completamento dell’installazione fisica, la priorità operativa riguarda il commissioning dei nuovi moduli: verifica della funzionalità, calibrazione fine e integrazione nei sistemi di acquisizione dati.

L’upgrade costituisce un passaggio intermedio verso il progetto IceCube-Gen2, concepito per ampliare in modo sostanziale il volume strumentato e consolidare la leadership nella fisica dei neutrini e nell’astronomia multimessaggera.

Il potenziamento attuale rafforza la capacità di osservare l’universo attraverso particelle quasi prive di massa, capaci di attraversare indisturbate regioni cosmiche opache alla radiazione elettromagnetica. La combinazione tra nuova strumentazione, analisi dei dati storici e cooperazione internazionale assicura all’osservatorio antartico una posizione centrale nello studio dei fenomeni astrofisici ad alta energia e delle proprietà fondamentali dei neutrini.</final