I RISULTATI SU PHYSICAL REVIEW LETTERS

Neutrini cosmici per IceCube

La collaborazione IceCube ha rilevato neutrini ad altissime energie provenienti dall'emisfero nord, che, insieme alle misure precedenti dell'emisfero sud, diventano una solida conferma della possibilità di raccogliere neutrini provenienti da sorgenti al di fuori della nostra galassia

L'Osservatorio IceCube al Polo Sud nella stazione Amundsen-Scott in Antartide. Crediti: Dag Larsen, IceCube/NSF

L’Osservatorio IceCube al Polo Sud nella stazione Amundsen-Scott in Antartide. Crediti: Dag Larsen, IceCube/NSF

I ricercatori che lavorano all’esperimento IceCube hanno analizzato attentamente i miliardi di particelle subatomiche che ogni anno passano attraverso il loro rivelatore. L’obiettivo era cercare nuove prove a sostegno dell’esistenza di neutrini cosmici, come suggerito da una serie di osservazioni del 2013. Questo tipo di prova è molto importante perché può segnare la nascita di una nuova forma di astronomia nel campo dei neutrini, le particelle ad alta energia e quasi prive di massa generate all’interno di acceleratori naturali: buchi neri, stelle di grande massa che esplodono e nuclei galattici. Nel recente studio, la rilevazione di 20 muoni ad altissima energia (particelle secondarie, che si formano in occasioni molto rare quando i neutrini interagiscono con altre particelle) fornisce una conferma indipendente per i neutrini galattici, così come per quelli provenienti da fonti esterne alla Via Lattea.

Le osservazioni sono state riportate in un articolo pubblicato oggi sulla rivista Physical Review Letters dalla collaborazione IceCube, che ha indicato i dati come un “segnale inequivocabile” a favore dei neutrini astrofisici, particelle ad altissima energia che hanno attraversato lo spazio senza ostacoli da parte di stelle, pianeti, galassie, campi magnetici o nubi di polvere interstellare: tutti fenomeni che, ad energie molto alte, possono attenuare sensibilmente il cammino di altre particelle, come ad esempio i fotoni.

Dal momento che non hanno carica elettrica e sono quasi privi di massa, i neutrini possono essere molto difficili da individuare e vengono osservati solo indirettamente, quando entrano in collisione con altre particelle generando particelle secondarie come i muoni. Inoltre esistono diversi tipi di neutrini prodotti in processi astrofisici differenti. La collaborazione IceCube è un grande consorzio internazionale con sede presso l’Università del Wisconsin-Madison e ha raccolto la grande sfida di vagliare un’enorme quantità di osservazioni per identificare qualche decina di neutrini di altissima energia.

Gli scienziati ritengono che questi neutrini ad alta energia vengano generati all’interno di alcuni dei fenomeni cosmici più violenti. Le particelle create durante questi eventi, dai neutrini ai raggi cosmici, vengono accelerate a livelli di energia che superano di un fattore di oltre un milione le energie raggiunte nei più potenti acceleratori terrestri, come il Large Hadron Collider (LHC). Queste particelle sono molto preziose per gli astrofisici perché le informazioni che ci forniscono sono incontaminate, nonostante i viaggi lunghi anche milioni di anni per arrivare fino a noi. Lo studio dei neutrini ad altissima energia potrebbe aiutare a risolvere una serie di problemi aperti della fisica, tra cui come si formano in natura gli acceleratori di particelle più potenti ed efficienti dell’universo.

Le ultime osservazioni sono state realizzate puntando il rivelatore Ice Cube, composto da migliaia di sensori ottici posizionati in profondità nel ghiaccio del Polo Sud, verso l’emisfero nord terrestre. In questo caso la Terra ha funzionato come un filtro, permettendo di escludere dall’analisi i muoni creati dall’interazione tra i raggi cosmici e l’atmosfera terrestre.

«La rivelazione di neutrini muonici che raggiungono lo strumento dopo aver attraversato la Terra è il modo in cui si era progettato di utilizzare IceCube per fare studi astronomici con i neutrini, e così è stato», spiega Francesco Halzen, professore di fisica presso l’Università del Wisconsin-Madison e principal investigator di IceCube.

Nell'immagine la rappresentazione di uno delle 21 neutrini ad altissima energia rivelati dall'Osservatorio IceCube puntando gli strumenti verso l'emisfero nord. Il neutrino è stato osservato il 28 Ottobre 2010. Crediti: IceCube Collaboration

Nell’immagine la rappresentazione di uno delle 21 neutrini ad altissima energia rivelati dall’Osservatorio IceCube puntando gli strumenti verso l’emisfero nord. Il neutrino è stato osservato il 28 Ottobre 2010. Crediti: IceCube Collaboration

Nell’arco di tempo che va da maggio 2010 e maggio 2012, IceCube ha rivelato più di 35.000 neutrini. Tuttavia, solo circa 20 di questi eventi hanno registrato livelli di energia che indicano sorgenti cosmiche.

I risultati sono estremamente significativi perché, utilizzando una tecnica diversa, riaffermano la capacità di IceCube di catturare particelle sfuggenti come i neutrini. Posizionando gli strumenti entro un chilometro cubo di ghiaccio antartico, gli scienziati sono stati in grado di realizzare un rivelatore abbastanza grande da catturare il segnale proveniente dai neutrini. Quando si verifica una delle rare collisioni che creano un muone, questo a sua volta emette una scia di luce Cherenkov che rispecchia fedelmente la traiettoria del neutrino che lo ha generato. Il cono di luce Cherenkov viene rilevato dai sensori ottici che compongono il complesso rivelatore IceCube e può essere utilizzato per risalire alla posizione della sorgente di neutrini.

«Questa è un’ottima conferma delle recenti scoperte di IceCube, e apre le porte a una nuova era nella fisica delle particelle», ha dichiarato Vladimir Papitashvili, astrofisico e direttore del programma di scienze geospaziali presso la divisione dei Polar Programs della National Science Foundation (NSF). «Ed è stato possibile solo grazie alle straordinarie qualità del ghiaccio antartico e la capacità della NSF di affrontare con successo le difficoltà scientifiche e logistiche dovute al fatto di lavorare in uno dei luoghi più inospitali della Terra».

Ma se da un lato le nuove osservazioni confermano l’esistenza dei neutrini cosmici e l’utilizzo dell’Osservatorio IceCube come mezzo efficace per rilevarli, dall’altro le sorgenti di neutrini ad alta energia rimangono ancora non identificate.

Albrecht Karle, professore di fisica dell’Università del Wisconsin-Madison e co-autore dell’articolo, osserva che le tracce indotte dai neutrini e rivelate da IceCube hanno una buona risoluzione di puntamento, meno di un grado, ma nonostante questo il team non ha osservato un numero significativo di neutrini provenire da una singola sorgente.

I neutrini osservati negli ultimi set di dati, tuttavia, hanno livelli di energia identici a quelli visti quando gli strumenti puntavano l’emisfero sud. Questo, dice Karle, suggerisce che molte delle potenziali fonti di neutrini ad altissima energia si trovino al di fuori della Via Lattea. Se ci fosse un numero significativo di sorgenti di questo tipo nella nostra galassia, spiega, il rilevatore di IceCube si dovrebbe accendere quando punta verso il piano della nostra galassia.

«Il piano della galassia è dove si trovano gran parte delle stelle. È lì che vengono accelerati i raggi cosmici, perciò ci si aspetterebbe di trovare molte sorgenti in quella zona. Ma i neutrini alle più alte energie osservati fino ad ora provengono invece da direzioni casuali», aggiunge Karle, il cui laureando, Chris Weaver, è autore principale dello studio. «È la conferma del fatto che la possibilità di rivelare neutrini cosmici è reale».

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