Rappresentazione artistica del rivelatore di neutrini Antares. Crediti: Antares collaboration
Quasi inafferrabili, i neutrini sono – un po’ come le onde gravitazionali – “messaggeri cosmici” complementari ai fotoni. E, proprio in quanto tali, ambitissimi dagli astrofisici: grazie a essi è possibile ottenere informazioni su fenomeni fisici dell’universo che nessun “normale” telescopio, per quanto potente, potrebbe mai raccogliere. Ma catturarli è un’impresa: servono, appunto, “telescopi” assai speciali. Telescopi come IceCube: una serie di rivelatori situati nelle profondità dei ghiacci antartico. Alcuni anni fa, gli scienziati di IceCube annunciarono l’osservazione di un eccesso di eventi rispetto al background atmosferico atteso. Era la prima rilevazione di un flusso diffuso di neutrini cosmici. Una scoperta che però attendeva conferma da parte di un altro osservatorio. Una conferma arrivata ora da Antares (acronimo di Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental Research), un telescopio per neutrini sottomarino non lontano da noi: si trova nel Mediterraneo, al largo delle coste francesi, a oltre duemila metri di profondità.
Fra gli autori dell’articolo scientifico che illustra il risultato, pubblicato a metà gennaio su The Astrophysical Journal, c’è anche l’italiano Luigi Antonio Fusco, fino allo scorso dicembre ricercatore postdoc all’Infn e all’Università di Bologna e attualmente al Cnrs francese. Media Inaf lo ha intervistato.
Antares, un telescopio sui generis, dicevamo. Può tracciarcene un rapido identikit? Dicevamo che si trova sott’acqua…
«Esatto, è un rivelatore composto da 12 “linee” la cui base sta a 2475 metri di profondità. Le linee sono sostanzialmente dei cavi, tenuti verticali e in tensione da boe sottomarine. Ciascuna linea è lunga 450 metri, e ospita 25 triplette di moduli ottici: sfere di vetro resistente alla pressione entro cui è sistemato un fotomoltiplicatore da 10 pollici. In totale, il rivelatore occupa un volume di 0.01 km cubi (pari dunque a 10 milioni di tonnellate di acqua), ma può rivelare eventi avvenuti in un volume di acqua molto maggiore: i muoni possono viaggiare diversi km prima di arrestarsi e la luce che essi producono si propaga nel mezzo trasparente per centinaia di metri».
La strategia che avete utilizzato per isolare i neutrini cosmici è rappresentata dal diagramma qui sotto. Ce la può illustrare?
«Nello schema sono mostrati in verde i raggi cosmici primari, che interagiscono nell’atmosfera terrestre, in giallo i muoni, in rosso i neutrini. La maggior parte degli eventi che raggiungono le profondità del rivelatore sono muoni prodotti a seguito delle interazioni dei raggi cosmici nell’alta atmosfera. Per ridurre il fondo prodotto da queste particelle altamente penetranti, si osservano eventi provenienti “dal basso”: vale a dire, indotti da particelle che hanno attraversato tutta la Terra – cosa possibile solo per i neutrini. Questi neutrini sono ancora per la maggior parte di origine “terrestre”, ovvero atmosferica. Per poter discernere una componente cosmica, prodotta presso oggetti altamente energetici come nuclei galattici attivi, o gamma ray bursts, occorre selezionare gli eventi di energia più elevata nel nostro campione di dati».
E quel ricciolino bianco?
Diagramma dei possibili percorsi dei neutrini. Crediti: Antares collaboration
«Quello non è prettamente inerente con l’analisi in questione: si tratta di una possibile particella massiva debolmente interagente (Wimp) di materia oscura. I telescopi di neutrini possono infatti agire anche da rivelatori indiretti di materia oscura: interagendo solo gravitazionalmente, infatti, questa può accumularsi presso oggetti molto massivi, come il centro della Terra, del Sole, o della Via Lattea. Se poi queste particelle di materia oscura interagiscono tra di loro annichilendo, possono produrre neutrini che possono essere rivelati come un eccesso di eventi in direzione di questi oggetti massicci».
Torniamo al vostro articolo: cosa siete riusciti a concludere?
«L’articolo presenta il risultato di una ricerca di neutrini di origine non terrestre – ovvero non prodotti dalle interazioni dei raggi cosmici nell’alta atmosfera – utilizzando un campione di nove anni di dati raccolti dal telescopio Antares. In questa ricerca si sono utilizzati eventi dovuti a interazioni di neutrini di ogni tipo. I neutrini muonici producono una traccia la cui direzione può essere misurata con relativa precisione, ma la stima dell’energia è approssimata. I neutrini elettronici (principalmente) producono “sciami”, la cui direzione è misurata male ma l’energia stimata piuttosto bene. Dopo aver applicato una selezione sugli eventi rivelati in modo da ridurre i vari fondi, abbiamo osservato nei dati 33 eventi di più alta energia quando ce ne saremmo dovuti attendere 24».
E questo cosa comporta?
«Pur se minimamente significativa, questa è una prima indicazione della presenza di neutrini cosmici da parte di un rivelatore che non sia IceCube. Le proprietà spettrali che abbiamo ricavato ci indicano anche che quello che stiamo probabilmente osservando è compatibile con il segnale rivelato nei dati di IceCube».
Ecco, a questo proposito: IceCube e rivelatori come Antares, fanno la stessa cosa?
«L’obiettivo dei telescopi dei neutrini è il medesimo: rivelare neutrini di origine cosmica e studiarne le proprietà, per comprendere meglio la fisica (e l’astrofisica) dei raggi cosmici. IceCube è il più grande rivelatore di neutrini al mondo, si trova al Polo Sud geografico, e occupa un volume di circa 1 km cubo. Tramite i dati raccolti con IceCube è stato possibile rivelare un primo segnale di neutrini di altissima energia (al di sopra di qualche decina di TeV) di origine cosmica. Nonostante ormai questo segnale sia stato osservato con elevata significatività, non è stato ancora possibile riconoscerne le sorgenti».
E nel Mediterraneo?
«Un telescopio di neutrini nel mare Mediterraneo rappresenta un punto di osservazione complementare: per poter rivelare correttamente la direzione di provenienza degli eventi si osservano muoni provenienti dal basso: i “cieli” (sotto) due rivelatori in emisferi differenti sono diversi, e in particolare un telescopio nell’emisfero Nord può osservare il cielo Sud, che è estremamente ricco, specie per quanto riguarda sorgenti galattiche come i resti di supernova, principali candidati ad essere sorgenti di neutrini, o la regione del centro e del piano galattico».
Oltre ad Antares, ci sono Nemo e Km3NeT. Cosa li distingue?
«Nemo è stato un progetto prototipale dell’Infn per la realizzazione di un telescopio di neutrini al largo delle coste siciliane, a una profondità di 3500 metri. Lo scopo era quello di avere una tecnologia a più basso costo di quella necessaria per Antares. Quanto a Km3NeT, è la collaborazione europea figlia dell’esperienza di Antares e delle attività di sviluppo di Nemo. La costruzione del telescopio Km3NeT è attualmente in corso. Grazie all’utilizzo di nuove tecnologie realizzative sarà il rivelatore di neutrini più performante al mondo. Quando Km3NeT sorpasserà in sensibilità Antares, questo sarà disattivato».
Luigi Antonio Fusco, ricercatore postdoc al Cnrs francese e membro della collaborazione Antares
Un’altra differenza fra IceCube e i telescopi nel Mediterraneo è che – pur sfruttando tutti l’effetto Cherenkov – il primo usa come mezzo rivelatore il ghiaccio, i secondi l’acqua. Quale dei due permette risultati migliori?
«La differenza principale tra acqua e ghiaccio è che l’acqua è un mezzo sostanzialmente omogeneo, mentre il ghiaccio (antartico) è formato per stratificazione di precipitazioni nevose nel corso di milioni di anni: a causa di ciò, intrappolate nei ghiacci ci sono impurità (polvere, bolle d’aria) che costituiscono centri di diffusione per la luce e non permettono di rivelare in maniera così precisa la direzione di provenienza di questi fotoni Cherenkov. In generale però il ghiaccio è più trasparente dell’acqua e quindi permette di rivelare la luce su distanze maggiori. Inoltre il ghiaccio non presenta alcuna fonte esterna di fotoni, mentre nel sale disciolto in acqua è presente l’isotopo 40 del potassio, che è radioattivo e produce luce Cherenkov. In aggiunta, nel mare sono presenti organismi viventi bioluminescenti e anche questi producono luce rivelabile tramite i fotomoltiplicatori. Opportuni algoritmi di selezione dei segnali permettono di pulire sufficientemente bene i dati raccolti da questo fondo spurio».
L’effetto osservabile, se ho ben capito, è quello di un lampo di luce blu. È percepibile anche a occhio nudo? Voglio dire, se m’immergessi a fare una nuotata fra i fotomoltiplicatori di Antares, vedrei anch’io qualche bagliore?
«È un bagliore bluastro (e nel vicino ultravioletto) estremamente debole e di brevissima durata, prodotto da particelle che viaggiano alla velocità della luce. Per rivelarlo occorre amplificare fortemente il segnale luminoso, grazie appunto ai fotomoltiplicatori, e bisogna farlo in maniera precisa e veloce (con precisioni sui tempi di arrivo dell’ordine dei nanosecondi, per poter ricostruire in maniera accurata gli eventi). Inoltre, per vedere la luce prodotta dall’interazione di neutrini occorrerebbe andare almeno un chilometro in profondità, e questo non è consigliabile per una nuotata».
Per saperne di più:
- Leggi su The Astrophysical Journal l’articolo “All-flavor search for a diffuse flux of cosmic neutrinos with 9 years of ANTARES data“, della Collaborazione ANTARES