DAI DATI DI ICECUBE

Neutrini polari ‘trasformisti’

Esperimenti condotti al Polo Sud hanno permesso di studiare la trasformazione dei neutrini prodotti nell'atmosfera terrestre al Polo Nord prima di raggiungere l'altra estremità del globo. Si tratta di un risultato che permette non solo di osservare questi effetti con dettagli maggiori, e senza precedenti, ma anche di ricavare preziosi indizi sulle loro proprietà fisiche. I risultati su Physical Review D

Una serie di esperimenti condotti al Polo Sud hanno permesso di misurare le proprietà fisiche dei neutrini, particelle esotiche di cui si conosce ancora molto poco. I risultati, pubblicati Physical Review D, suggeriscono che un tipo di neutrini, creati nell’atmosfera terrestre al Polo Nord, subiscono delle fluttuazioni quantistiche mentre attraversano la Terra prima di raggiungere il rivelatore IceCube situato nell’altra estremità del globo al Polo Sud, un processo che li trasforma in un altro tipo di neutrini. Ciò permette di studiare questi effetti con dettagli maggiori, e senza precedenti, con l’obiettivo di ricavare nuovi indizi sulle loro proprietà fisiche.

I neutrini sono particelle elusive, sfuggenti, che attraversano qualsiasi cosa nel loro tragitto man mano che si propagano dalle regioni più remote dell’Universo. La Terra è costantemente bombardata da miliardi di neutrini e solo raramente essi interagiscono con la materia. Al Polo Sud, è situato un gigantesco esperimento, IceCube, che è in grado di rivelare una rara collisione tra atomi e neutrini nel ghiaccio attraverso un complesso sistema di rivelatori. I neutrini rappresentano una classe di particelle tra quelle più abbondanti che esistono in natura. Il loro numero supera di gran lunga quello degli atomi presenti nell’Universo, eppure sappiamo ancora molto poco sulle loro proprietà. Queste particelle sono state create con il Big Bang e possono essere prodotte nelle stelle o durante fenomeni violenti e di alta energia, come le esplosioni di supernovae. I fisici chiamano i neutrini “le particelle fantasma” poiché essi non interagiscono con la materia e passano indisturbati attraverso qualsiasi ostacolo essi incontrano.

IceCube

IceCube è compreso in un chilometro cubo di ghiaccio ed è pieno zeppo di moduli ottici. Il rivelatore è situato sotto il ghiaccio, a 1,5 Km dalla superficie e si estende fino a una profondità di 2,5 Km. Gli strumenti del rivelatore sono costituiti da 86 cavi ciascuno contenente 60 moduli ottici digitali estremamente sensibili alla luce. Credit: IceCube Collaboration

All’esperimento IceCube partecipano ricercatori di 44 istituti di 12 paesi. Si tratta di un enorme rivelatore di particelle situato nelle profondità del ghiaccio al Polo Sud. La dimensione del rivelatore, un chilometro cubo, è dovuta al fatto che i neutrini interagiscono molto debolmente con la materia perciò essi entrano in collisione con gli atomi nel ghiaccio molto raramente. Quando essi finiscono per collidere, vengono create particelle cariche, che emettono radiazione che a sua volta può essere rivelata dai cosiddetti Digital Optical Modules, speciali rivelatori estremamente sensibili.

«Abbiamo registrato 35 neutrini che molto probabilmente provengono dalle regioni più remote dello spazio», spiega Jason Koskinen, a capo del gruppo che lavora all’esperimento IceCube presso il Niels Bohr Institute, University of Copenhagen. «Questi neutrini sono molto energetici e poiché non hanno interagito durante il loro viaggio prima di arrivare a Terra, essi trasportano l’informazione dalle profondità dello spazio. Oltre ai rari neutrini cosmici, qui osserviamo i neutrini che vengono creati nell’atmosfera terrestre in modo da studiare le loro proprietà fisiche». Quando le particelle (protoni) di alta energia, che sono prodotti da fenomeni violenti, come le supernovae o i quasar, colpiscono l’atmosfera terrestre, si genera una forte emissione di neutrini che passano indisturbati attraverso il pianeta. I neutrini che si sono formati al Polo Nord attraversano in linea retta la Terra e solo un piccola frazione colpisce il ghiaccio al Polo Sud, dove il rivelatore IceCube registra le collisioni.

I neutrini sono molto leggeri e per tanti anni è stato ritenuto che queste particelle non avessero una vera e propria massa. Ora, invece, si ritiene che esistono tre tipi di neutrini (neutrino elettronico, muonico e tauonico) ognuno dei quali possiede una massa specifica, che rimane incredibilmente piccola, ossia meno di un milionesimo della massa dell’elettrone. «I neutrini creati nell’atmosfera sopra il Polo Nord sono principalmente neutrini muonici. Durante il loro lungo tragitto all’interno della Terra lungo 13.000 chilometri, i neutrini muonici subiscono delle fluttuazioni quantistiche che li trasformano in un altro tipo di neutrini, cioè neutrini tauonici, prima che essi vengono rivelati da IceCube dall’altra parte del globo. Ora, siamo in grado di studiare questi effetti con dettagli maggiori e senza precedenti e ciò ci permette di ricavare nuovi indizi sulle loro proprietà fisiche», continua Koskinen.

I ricercatori hanno potuto studiare i neutrini atmosferici nel rivelatore IceCube per un periodo di 3 anni, analizzando 5.200 interazioni tra i neutrini atmosferici e gli atomi del ghiaccio. «Abbiamo confermato il fatto che i neutrini subiscono delle fluttuazioni, anche a livelli di energia elevati, e abbiamo calcolato la quantità di queste oscillazioni. In altre parole, abbiamo misurato solamente i neutrini muonici e in confronto al numero che viene prodotto nell’atmosfera, solo una frazione di essi raggiunge il Polo Sud. La spiegazione è che i neutrini muonici subiscono delle fluttuazioni quantistiche e vengono trasformati in neutrini tauonici: per questo ne vediamo di meno. Se non subissero questa trasformazione, li vedremmo tutti. Dunque, i nostri calcoli indicano che almeno il 20 percento sono soggetti ad effetti quantistici man mano che attraversano la Terra», conclude Koskinen.


Physical Review D: M. G. Aartsen et al. – Determining neutrino oscillation parameters from atmospheric muon neutrino disappearance with three years of IceCube DeepCore data

arXiv: Determining neutrino oscillation parameters from atmospheric muon neutrino disappearance with three years of IceCube DeepCore data