Lo studio delle sorgenti astrofisiche di radiazione cosmica mediante l'osservazione contemporanea dei diversi "messaggeri" che da esse possono provenire (radiazione gamma di bassa ed alta energia, raggi cosmici, neutrini, onde gravitazionali) può rappresentare la chiave per conoscere le fonti più energetiche dell'universo. L'entrata in funzione, con la necessaria sensibilità, degli osservatori per onde gravitazionali (LIGO-VIRGO), le misure effettuate dai telescopi Cherenkov per neutrini già in funzione (IceCube, ANTARES) e la prossima entrata in funzione del telescopio Cherenkov per neutrini nel Mediterraneo, KM3NeT, stanno mostrando nuove possibilità di osservazione di processi cosmici con vari tipi di "sonde" come i neutrini ad alta energia e le onde gravitazionali. Proponiamo di combinare le informazioni provenienti da fonti transitorie di segnali elettromagnetici (fotoni di energia bassa e alta) ed onde gravitazionali con osservazioni di neutrini. Le sorgenti "impulsive" dovrebbero permettere una più facile identificazione delle sorgenti astrofisiche grazie alla possibilità di chiedere la coincidenza delle osservazioni nello spazio e nel tempo. In particolare ci concentreremo sulle sorgenti di fotoni più promettenti: i Nuclei Galattici Attivi, con caratteristiche impulsive, e le sorgenti di Gamma Ray Bursts.
La rivelazione congiunta di segnali elettromagnetici e neutrini da queste fonti ci permetterà di investigare sui processi fisici che caratterizzano queste sorgenti e sarà una pistola fumante della presenza, in questi corpi celesti, di adroni accelerati, ipotesi che è ancora una questione aperta.
Viceversa, la non rivelazione dei neutrini da queste sorgenti sarà fondamentale per limitarne il contenuto adronico e ottenere informazioni sulla fisica di questi oggetti.
Questo metodo di analisi è attualmente la procedura più promettente per la ricerca di sorgenti astrofisiche di alta energia.
Il progetto proposto è legato ad uno degli aspetti più importanti della fisica astroparticellare attuale. L'approccio multi-messengers proposto per la scoperta di fonti astrofisiche e lo studio delle loro dinamiche, cercherà di beneficiare delle misure di raggi cosmici carichi di alta energia, fotoni, neutrini e onde gravitazionali.
Con le rilevazioni recenti ed attuali di LIGO-VIRGO (onde gravitazionali) e di IceCube (scoperta di flussi di neutrini astrofisici "diffusi" e identificazione di neutrini di altissima energia da una sorgente "osservata" anche con radiazione gamma) stiamo entrando in una fase eccitante della astronomia: questo è un momento cruciale per tale scienza, dobbiamo spingere per uno studio delle sorgenti del tipo "multi-messengers" coinvolgendo un numero sempre crescente di osservatori scientifici. È fondamentale investire tempo e risorse per l'interpretazione delle nuove scoperte.
Quando per una o più delle sorgenti astrofisiche di altissima energia saranno disponibili informazioni su quali "segnali" sono capaci di inviarci (raggi cosmici carichi, fotoni, neutrini, onde gravitazionali) non solo si avrà la dimostrazione finale della esistenza di queste "sorgenti" ma si avranno anche informazioni fondamentali per capire le dinamiche interne alle sorgenti stesse: quali meccanismi di accelerazione sono in azione, quali particelle vengono accelerate, quali flussi di particelle ci si può aspettare da tali sorgenti. Vari modelli descrivono le diverse sorgenti astrofisiche ed i meccanismi di accelerazione che le caratterizzano: ognuno di questi modelli mette in relazione flussi dei diversi tipi di particelle accelerate. Alcuni modelli permettono di descrivere la propagazione dei raggi cosmici "primari" accelerati nelle sorgenti nello spazio intergalattico tenendo conto delle loro interazioni con la materia e/o con la radiazione elettromagnetica intergalattica: da tali interazioni a seconda dei vari modelli è possibile prevedere flussi di particelle "secondarie" o "diffuse", non provenienti cioè direttamente, in linea retta, da sorgenti astrofisiche. Analizzando e confrontando i risultati sperimentali disponibili in letteratura, gli autori del progetto proposto mirano ad utilizzare i modelli astrofisici più comunemente accettati al fine di prevedere i flussi di neutrini misurabili in un apparato come il futuro KM3NeT. I neutrini astrofisici saranno rivelabili in KM3NeT tramite l'interazione di "corrente carica" dei neutrini muonici che darà origine a "muoni", particelle estremamente penetranti che nell'apparato appariranno come lunghe tracce rettilinee. Purtroppo muoni di origine atmosferica, molto più numerosi dei neutrini astrofisici, possono produrre tracce simili. Sarà possibile discriminare il segnale dal rumore utilizzando una delle proprietà dei neutrini: la loro piccolissima capacità di interagire con la materia permette loro di attraversare la Terra indisturbati, anche lungo un diametro terrestre. Selezionando dunque tracce "provenienti" da sotto l'apparato (up-going) rigettando le tracce di origine atmosferica ("down-going") sarà possibile selezionare un campione di dati in cui il rapporto segnale/rumore sarà ottimizzato. La conoscenza delle intensità dei flussi di neutrini astrofisici, diffusi e/o da sorgenti puntiformi, ci permetterà di prevedere quale rapporto segnale/rumore sarà lecito aspettarsi nei dati sperimentali. La conoscenza degli spettri in energia dei flussi di neutrini aspettati, calcolabili grazie ai modelli a cui si è fatto riferimento, permetterà di migliorare ancora di più la separazione segnale/rumore e di definire i migliori algoritmi per la scoperta del segnale. La posizione di KM3NeT (circa 40 gradi di latitudine Nord) permette al telescopio una ottima visibilità del centro galattico e della maggior parte delle sorgenti galattiche note. La risoluzione angolare del telescopio KM3NeT sarà molto migliore rispetto a quella, già buona dell'apparato IceCube attualmente in funzione al polo Sud: ciò permetterà una più facile reiezione del fondo: i neutrini atmosferici, uniformemente diffusi. In tal modo KM3NeT potrà studiare il flusso di neutrini cosmici fornendo dati essenziali riguardanti la loro origine, lo spettro energetico e la composizione del sapore. Tali informazioni saranno cruciali per una visione complessiva (assieme alle misure di fotoni ed onde gravitazionali) per una conoscenza approfondita dell'Universo.
Con la risoluzione angolare del telescopio KM3NeT, molto migliore rispetto a quella, già buona dell'apparato IceCube attualmente in funzione al polo Sud, sarà possibile studiare il flusso di neutrini cosmici fornendo dati essenziali riguardanti la sua origine, lo spettro energetico e la composizione del sapore. KM3NeT, dalla sua posizione nel Mar Mediterraneo, potrà "osservare" la maggior parte della Galassia e il Centro Galattico, dove si osservano alcuni interessanti fenomeni inspiegabili con altri rilevatori di astroparticelle.