Le leggi di Einstein alla prova dal fondo del Mediterraneo

Lo spaziotempo potrebbe essere diverso da come lo immaginiamo?

Perché mettere in discussione un principio così fondamentale? Una delle ragioni è legata alla ricerca di una teoria della gravità quantistica, capace di conciliare la relatività generale con la fisica quantistica. Alcuni approcci teorici suggeriscono che lo spaziotempo, che normalmente consideriamo continuo, potrebbe in realtà essere costituito da unità discrete estremamente piccole. Questo potrebbe avere profonde implicazioni per le leggi della fisica, tra cui possibili violazioni dell'invarianza di Lorentz.
“Non sappiamo ancora se il nostro spaziotempo sia continuo oppure possa avere una struttura discreta”, spiega Alba Domi, ricercatrice presso l'Erlangen Centre for Astroparticle Physics (ECAP) della Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg e una dei due autori di riferimento dello studio. “Cercare possibili violazioni dell'invarianza di Lorentz è un modo per indagare questa possibilità”.

Come spiega Domi, i neutrini sono particolarmente promettenti per cercare indizi di questa possibile nuova fisica. Queste minuscole particelle interagiscono molto raramente con la materia, riuscendo così a percorrere distanze enormi, persino attraversando la Terra. Possiedono inoltre una proprietà sorprendente: durante il loro viaggio possono trasformarsi da un tipo di neutrino a un altro. Gli scienziati chiamano questi diversi tipi di neutrini “sapori”, e il fenomeno della loro trasformazione è noto come oscillazione dei neutrini. La probabilità che avvengano queste trasformazioni può essere prevista con grande precisione. Se il comportamento osservato fosse diverso da quello previsto, potrebbe essere un segnale di nuova fisica, compresa una possibile violazione dell'invarianza di Lorentz.

Per cercare queste anomalie, i ricercatori hanno analizzato 1,4 anni di dati raccolti dalle prime sei unità di rivelazione di KM3NeT/ORCA, confrontando le energie e le direzioni di provenienza dei neutrini osservati con le previsioni teoriche.

Nuovi limiti, nuove possibilità

I ricercatori non hanno trovato alcuna evidenza di violazione dell'invarianza di Lorentz. Questo, tuttavia, non significa che tali violazioni siano impossibili: i risultati permettono di stabilire nuovi limiti sull'entità che determinati effetti potrebbero avere senza entrare in contraddizione con le osservazioni. Nonostante siano stati ottenuti con una configurazione iniziale e parziale del rivelatore, i risultati sono competitivi con quelli di esperimenti attivi da molti anni, come IceCube e Super-Kamiokande. Per la prima volta, inoltre, i ricercatori hanno stabilito vincoli diretti su alcuni possibili effetti di una violazione dell'invarianza di Lorentz che coinvolgono due sapori di neutrini, quello muonico e quello tauonico, e il modo in cui i neutrini oscillano tra essi.
Questi risultati sono particolarmente promettenti se si considera che, quando sono stati raccolti i dati, ORCA si trovava ancora in una fase iniziale di costruzione, con appena sei unità di rivelazione operative. Il rivelatore è tuttora in fase di ampliamento, verso la sua configurazione definitiva prevista [vedi box].

«Questi risultati dimostrano le potenzialità di KM3NeT/ORCA nel mettere alla prova i principi fondamentali della fisica, anche con un rivelatore di dimensioni relativamente ridotte», afferma Lukas Hennig, dottorando presso ECAP e l'altro autore di riferimento dello studio. «Con più dati e un rivelatore sempre più grande, saremo in grado di cercare effetti ancora più piccoli».

In futuro, i ricercatori sperano di estendere queste indagini anche a KM3NeT/ARCA, che si concentra su neutrini di energia molto più elevata provenienti da sorgenti astrofisiche lontane. Questi neutrini potrebbero essere particolarmente promettenti per questo tipo di ricerca, perché alcuni possibili effetti di violazione dell'invarianza di Lorentz diventano più pronunciati su distanze estremamente grandi e a energie più elevate. «ARCA potrebbe essere particolarmente adatto a questo tipo di ricerca, ma non abbiamo ancora rilevato un numero sufficiente di eventi di neutrini astrofisici per poter condurre un'analisi di questo genere», spiega Domi.

La crescente importanza della ricerca sui neutrini di alta energia è stata recentemente riconosciuta anche dal Premio Nobel per la Fisica 2026, assegnato a Francis Halzen per i suoi contributi pionieristici all'osservatorio di neutrini IceCube e alla scoperta di neutrini di alta energia provenienti dallo spazio.

L'analisi è stata condotta nell'ambito della borsa di ricerca post-dottorato Marie Skłodowska-Curie (QGRANT) di Alba Domi, finanziata dal programma Horizon Europe dell'Unione europea.