Un 2013 da record per i neutrini

Quando si tratta di bellezza nella scienza è molto difficile battere le immagini messe in rete dal Daya Bay Neutrino Experiment.  Questa fotografia mostra i tubi dei fotomoltiplicatori che rivestono le pareti dei rivelatori sotterranei enormi per amplificare interazioni dei neutrini. Sul blog del Brookhaven Lab trovate altre immagini suggestive. Ed è un bel modo per celebrare un 2013 davvero importante per la ricerca in questo settore. Due sono le tappe importanti da ricordare: la scoperta del neutrino sterile e l’osservazione di neutrini provenienti da sorgenti esterne al sistema solare. 

1) Alcuni esperimenti effettuati negli ultimi tempi suggeriscono l’esistenza di un nuovo tipo di neutrino, battezzato neutrino sterile, le cui caratteristiche saranno presto studiate grazie a un nuovo progetto di ricerca, coordinato dai ricercatori dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, che analizzerà i dati raccolti da Borexino, il noto rilevatore di neutrini solari. La sfera gigante contiene circa di 300 tonnellate di un idrocarburo schermante (pseudocumene), ed è dotata di una serie di tubi fotomoltiplicatori per registrare la luce emessa quando i neutrini interagiscono con gli elettroni. L’esperimento è descritto in un articolo su arXiv.org.

I neutrini sono particelle subatomiche senza carica, quasi prive di massa e che interagiscono con la materia ordinaria solo attraverso la forza nucleare debole. Come risultato, essi possono passare attraverso grandi quantità di materia del tutto indisturbati. Per studiarli, i fisici si servono enormi rivelatori e sono guidati da un’idea di base: concentrando un gran numero di nuclei bersaglio, le probabilità di ottenere qualche collisione aumenta, e così aumenta la capacità di rilevarli. Ma la classe di neutrini che i fisici si propongono di studiare è particolarmente sfuggente. E lo è per definizione.

Se esistono, i neutrini sterili sarebbero ancora più difficili da rilevare perché probabilmente non potrebbero interagire né con la materia ordinaria e, forse, nemmeno con altri neutrini. Ammesso che interagiscano con altri neutrini, l’unico modo per catturarli sarebbe questo: intercettare le loro “oscillazioni”. L’oscillazione è un fenomeno ormai consolidato in cui i neutrini ordinari si trasformano e ritrasformano continuamente da uno all’altro dei tre sapori – elettrone, muone e tau – mentre viaggiano. Allo stesso modo, i neutrini ordinari potrebbero oscillare in neutrini sterili e viceversa, ma probabilmente su distanze molto più brevi rispetto a quelle tipiche della normale oscillazione dei neutrini solari (sotto vedete alcuni dettagli di Borexino).

L’esistenza di neutrini sterili non è solo un’ipotesi teoretica ma sembra suggerita da alcune evidenze. Queste includono sia i risultati di esperimenti passati, vertenti sul comportamento dei neutrini ordinari, sia i calcoli e le proiezioni stilate, secondo cui il numero di neutrini catturati dai rilevatori posizionati vicino ai reattori nucleari è decisamente inferiore al previsto. Dove sono, allora, tutti gli altri neutrini? Secondo Marco Pallavicini, dell’Università degli Studi di Genova, se questo è vero allora le implicazioni potrebbero essere sorprendenti: i neutrini sterili sarebbero le prime particelle fondamentali scoperte a trovarsi al di fuori del Modello Standard.

Pur restando fondamentalmente scettico sulla loro esistenza, Marco Pallavicini ritiene che conferme sperimentali in questa direzioni potrebbero addirittura suggerire un loro ruolo nello sviluppo dell’Universo così come lo conosciamo adesso. Il nuovo esperimento, Short Distance Neutrino Oscillations with BoreXino (SOX), intercetterà i neutrini da una intensa sorgente radioattiva collocata a diversi metri di distanza. SOX stabilirà il luogo esatto in cui avviene l’interazione e il tempo preciso dell’emissione luminosa associata.  Se esistono neutrini sterili, il numero di interazioni che avvengono in funzione della distanza dalla sorgente dovrebbe mostrare una leggera ma distinta variazione, quasi sinusoidale, con una lunghezza d’onda sulla scala del metro – troppo corta per essere causata dai neutrini fino ad ora noti.

SOX userà due sorgenti radioattive: il cromo-51, che emette neutrini elettronici e sarà collocato in una fossa appena sotto il rivelatore, l’altra è il cerio-144, un emettitore elettrone-antineutrino che verrà posizionato all’interno dello scudo d’acqua di Borexino. Dal momento che l’European Research Council ha appena stanziato 3,5 ml di euro  per queste ricerche, gli scienziati auspicano di compiere significativi passi avanti. Peter Vogel dell’Istituto di Tecnologia della California  descrive l’esperimento come “impegnativo, ma fattibile” e ritiene che potrebbe “dare una forte indicazione per confermare o meno l’esistenza di neutrini sterili”. Ciò nonostante resta probabile che l’esperimento da solo non è in grado di dimostrare o confutare l’esistenza di neutrini sterili. La prova definitiva richiederà una comparazione tra i risultati di diversi esperimenti e, soprattutto, la registrazione di diversi tipi di oscillazione che abbracciano diverse scale di energia.

2)  IceCube è gestito da una collaborazione internazionale con sede presso il Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center (WIPAC). IceCube è composto da più di 5.000 moduli ottici digitali sospesi in un Km3 di ghiaccio al Polo Sud. L’osservatorio della National Science Foundation rileva i neutrini attraverso i minuscoli lampi di luce blu prodotta quando un neutrino interagisce con una molecola d’acqua nel ghiaccio.

IceCube è una stazione di ricerca che registra le collisioni tra i neutrini e le particelle di ghiaccio tramite una rete di sensori ottici posti sottoterra; i sensori registrano collisioni all’incirca ogni sei minuti, e sono osservabili perché sono eventi che rilasciano una quantità sufficiente di radiazione Cherenkov lungo un un’area grande come sei isolati di una città. La radiazione Cherenkov si ottiene quando una particella carica viaggia ad una velocità superiore a quella della luce attraverso un mezzo. Il passaggio origina un impulso elettromagnetico, di breve durata, che si dipana nelle immediate vicinanze della particella (di conseguenza, il mezzo irradierà in una banda di frequenze verso l’ultravioletto). IceCube è, in definitiva, un telescopio enorme, costruito nel ghiaccio antartico, che ha appena rilevato 28 neutrini di altissima energia che potrebbero avere la loro origine in sorgenti cosmiche. Si parla di energie maggiori di 1 petaelectronvolt (PEV), un livello di migliaia di volte superiore alla più alta energia dei neutrini prodotta in un acceleratore di particelle. L’annuncio è stato fatto questa estate durante un Simposio scientifico presso il Dipartimento di Astrofisica dell’Università del Wisconsin. Ad aprile risalgono i primi rilevamenti di questo tipo.

Neutrini più veloci di 1 PEV. “Stiamo cercando per la prima volta neutrini di alta energia che non vengono dall’atmosfera”, commenta Francesco Halzen, coordinatore del progetto. “Questo è quello che stavamo cercando”. Dato che raramente interagiscono con la materia, a meno che non siano ostacolati dalla forza di gravità, i neutrini possono trasportare informazioni circa il funzionamento dei fenomeni più energetici e più lontani dell’Universo. Anche se miliardi di neutrini passano attraverso la Terra ogni secondo, la stragrande maggioranza proviene dal Sole o dall’atmosfera terrestre.

Tra più rari ci sono i neutrini ad alta energia che possono scaturire dai più potenti eventi cosmici -come Gamma Ray Burst, Buchi Neri o Stelle di Neutroni – e possono raggiungere energie fino a migliaia di PEV. Tra il maggio del 2010 e il maggio del 2012 IceCube ha rilevato i 28 neutrini che hanno superato i livelli di energia fino ad allora considerati standard. Le loro proprietà sono fortemente in contrasto con quello che ci si aspetterebbe di fonti atmosferiche e sono esattamente quello che ci si aspettereste da una sorgente astrofisica. Per capire l’origine di questi 28 esemplari si dovranno attendere ulteriori eventi di questo genere.

I sensori della stazione antartica IceCube hanno registrato due tipologie di neutrini ad alta energia (nell’ordine di dieci volte l’energia media) mai osservati prima.  L’articolo, disponibile su arXiv preprint, riporta l’annuncio della scoperta e l’analisi dei dati raccolti nel periodo 2010-2012.

I due eventi osservati ad agosto 2011 (figura a sinistra) e gennaio 2012 (figura a destra). Ogni sfera rappresenta un DOM (modulo ottico digitale). I colori rappresentano i tempi di arrivo dei fotoni: il rosso indica i primi, il blu i successivi. La dimensione delle sfere è una misura per il numero di fotoelettroni registrati. (Credit: arXiv: 1304.5356 [astro-ph.HE]).

Ora, i neutrini non hanno carica e hanno una massa quasi del tutto trascurabile. Questo significa che sono liberi di viaggiare attraverso lo spazio (e i corpi) senza che il loro percorso venga modificato dalle forze gravitazionali o magnetiche, una caratteristica che li rende molto preziosi qualora si riuscisse a localizzare la loro fonte. I due neutrini registrati da IceCube (battezzati Bert ed Ernie) sono particolarmente rilevanti:  generalmente queste collisioni registrano energie nel range di 100 tera-elettronvolt, mentre Bert ed Ernie si attestano all’incirca sui 1000 tera-elettronvolt. Alla luce delle alte energie sprigionate, le probabilità che vengano da molto lontano, piuttosto che siano un sottoprodotto di una collisione tra i raggi cosmici e l’atmosfera terrestre, sono indubbiamente alte.

Raccogliere evidenze di neutrini provenienti dalle zone remote dell’Universo è molto difficile. I ricercatori attribuiscono alla scoperta un livello di confidenza di 2,8 sigma – ciò significa che, dal 1987 (data in cui i rilevatori registrarono neutrini provenienti da una supernova nella Grande Nube di Magellano), questa è la prima rilevazione di neutrini provenienti dalle regioni esterne al nostro Sistema Solare. Alla stazione diIceCube sperano di trovare altri neutrini di questo tipo, soprattutto perché questa scoperta potrebbe avere importanti ricadute nella comprensione dell’origine dei raggi cosmici ad alta energia che colpiscono la Terra.

Annunci

Rispondi

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione / Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione / Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione / Modifica )

Google+ photo

Stai commentando usando il tuo account Google+. Chiudi sessione / Modifica )

Connessione a %s...