Ricerca di Controparti Radio di Sorgenti di Neutrini di Alta Energia

L’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) è appena entrato a far parte della collaborazione KM3NeT. KM3NeT è un telescopio per neutrini di altissima energia in fase di costruzione nel mare Ionio a largo di Portopalo di Capo Passero (SR), posto a circa 300 m di profondità, con detectors sparsi un volume di circa 1 km cubo. La collaborazione coinvolge istituzioni scientifiche in 22 paesi e vede l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), in prima linea. Il telescopio rivela la luce Čherenkov prodotta da particelle generatesi nell’interazione tra neutrini e materia, ricostruendo la direzione di arrivo del neutrino con una precisione dell’ordine del grado. Uno dei problemi fondamentali di questo studio è l’identificazione della sorgente di neutrini di alta energia; entro la regione identificata esistono infatti moltissime possibili sorgenti candidate, e l’identificazione non è banale.

Il processo fisico che porta alla creazione di neutrini di alta energia è dato dalla collisione di protoni di altissima energia (raggi cosmici) con la materia circostante. Questo processo produce direttamente fotoni gamma. Esistono molti telescopi gamma, tuttavia questi fotoni possono essere assorbiti dall’ambiente e può venire a mancare una correlazione utile all’identificazione. Il processo porta anche all’emissione in altre bande dello spettro, anche queste soggette ad assorbimento.

Gli stessi processi che portano all’accelerazione adronica (protoni) portano anche all’accelerazione leptonica (elettroni) che, in un campo magnetico sempre presente nel luogo di accelerazione, porta ad emissione di sincrotrone, nella banda radio. La radiazione radio non è soggetta ad assorbimento da parte del mezzo, e quindi una correlazione radio-neutrini può essere anche più indicativa di quella coi raggi gamma.

Il lavoro proposto mira alla identificazione di controparti elettromagnetiche di possibili sorgenti di neutrini di alta energia, inquadrandosi nell’astrofisica multimessaggera.

Sono già stati identificati dei campioni di radiosorgenti, che includono fondamentalmente Blazar (AGN con jet orientato verso la Terra), galassie Seyfert (galassie con forte attività nel nucleo) e sorgenti galattiche come le micro-quasar (binarie X con un oggetto compatto, fortemente variabili). Il lavoro è quello di condurre un monitoraggio sistematico ad alta frequenza radio (22- 100 GHz) col radiotelescopio di Noto (SR) dell’INAF, costruire un database di spettri radio per avere la storia dell’evoluzione delle sorgenti osservate, correlare il flusso e l’andamento spettrale con l’eventuale detection di neutrini ad alta energia da parte di KM3NeT, partecipare ad osservazioni di follow-up da effettuarsi con facilities radio nazionali ed internazionali.

The Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) has recently joined the KM3NeT Collaboration. KM3NeT is a next-generation neutrino telescope currently under construction in the Mediterranean Sea, off the coast of Portopalo di Capo Passero (Sicily, Italy). The collaboration involves scientific institutions from 22 countries, with the Italian Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) playing a leading role. KM3NeT detects the Cherenkov light produced by charged particles generated in neutrino interactions with matter, allowing the direction of incoming neutrinos to be reconstructed. One of the major challenges in high-energy neutrino astrophysics is the identification of the astrophysical sources responsible for the detected neutrinos.

Because the localisation region associated with a neutrino event may contain several potential astrophysical counterparts, an unambiguous association with a specific source is often difficult. High-energy neutrinos are expected to be produced in hadronic interactions involving relativistic protons, or cosmic rays, and surrounding matter or radiation fields. These processes are also associated with the production of high-energy gamma rays. Although gamma-ray observations provide a powerful tool for identifying potential neutrino sources, gamma-ray photons may be absorbed either within the source environment or during propagation, potentially weakening the observed gamma-ray–neutrino connection. Emission at other wavelengths can therefore provide essential complementary information.

Astrophysical environments capable of accelerating hadrons are also expected to accelerate relativistic electrons. In the presence of magnetic fields, these electrons produce synchrotron radiation that can be efficiently observed at radio wavelengths. Radio emission is essentially unaffected by dust extinction and can therefore provide a valuable and complementary tracer of the physical activity associated with candidate neutrino sources. Establishing possible correlations between radio activity and high-energy neutrino events may consequently provide important clues to the nature of the astrophysical accelerators.

The proposed PhD project aims to identify and characterise the electromagnetic counterparts of candidate high-energy neutrino sources, within the broader framework of multi-messenger astrophysics. Samples of candidate radio sources have already been identified. They primarily include blazars, i.e. active galactic nuclei (AGN) with relativistic jets oriented close to our line of sight; Seyfert galaxies, characterised by strong nuclear activity; and Galactic sources such as microquasars, X-ray binary systems hosting a compact object and often displaying strong variability and relativistic outflows.

The PhD research will focus on the systematic monitoring of these sources at high radio frequencies (approximately 22–100 GHz) using the INAF Noto radio telescope in Sicily. The main objectives will be to build a database of radio spectra and multi-epoch measurements in order to characterise the temporal and spectral evolution of the monitored sources; investigate possible correlations between variations in radio flux density and spectral properties and the detection of high-energy neutrino events by KM3NeT; and participate in targeted follow-up observations using national and international radio facilities.
The project will therefore combine radio astronomy, high-energy astrophysics and multi-messenger observations, with the ultimate goal of improving our understanding of the astrophysical environments responsible for particle acceleration and high-energy neutrino production.