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Neutrini spaziali al ghiaccio.

L'astrofisica moderna è diventata, sotto molti aspetti, una fisica astro-particellare. Per studiare l'Universo, si iniziano ormai a utilizzare particelle e radiazioni sempre più diverse. L'astronomia tradizionale, opera nel visibile, con le onde radio e infrarosse, microonde e raggi X. A questi si sono aggiunti nel tempo i raggi gamma, e le particelle ionizzanti ad altissime energie. In questo nuovo approccio al cielo (cosiddetto "multi-messenger"), si cerca di sfruttare il fatto che gli oggetti astrofisici ad alta energia sono di fatto degli acceleratori cosmici molto complessi e possono produrre particelle di qualsiasi tipo. Come gli AGN, o Active Galactic Nuclei, o i Gamma-Ray burst.

Oggi registriamo un evento importante: l'aggiunta dei Neutrini cosmici alla famiglia di messaggeri che ci vengono dallo spazio.
I neutrini sono particelle molto difficili da rivelare. Siccome interagiscono molto debolmente con la materia, richiedono rivelatori di dimensioni veramente enormi. Il rivelatore di cui parliamo si chiama IceCube e il suo volume sensibile è di un chilometro cubo circa di ghiaccio polare. E’ collocato presso la stazione Amundsen-Scott del Polo Sud e ha come rivelatori 5160 fotomotiplicatori, distribuiti fino alla profondità di 2.5 chilometri nel ghiaccio.
Il vantaggio dei neutrini, come messaggeri cosmici, è direttamente correlato alla difficoltà della loro rivelazione. Essendo neutri e interagendo debolmente, possono fornirci informazioni su zone dell'Universo non accessibili ai fotoni o alle particelle cariche. Inoltre, i neutrini non sono deflessi dai campi magnetici galattici ed extragalattici, permettendo così una ricerca relativamente facile di correlazione con gli oggetti astrofisici noti nel cielo.
Le sorgenti naturali di neutrini finora conosciute sono essenzialmente il Sole, nel suo ruolo di reattore a fusione, e la Terra, a causa della radioattività nel suo interno. Nessuna altra sorgente cosmica era stata individuata prima di ora, a parte il caso singolo e sporadico della Supernova 1987A.
Tuttavia, è molto probabile che esistano nel cosmo neutrini di alta energia prodotti regolarmente. Potrebbero, ad esempio, provenire dagli oggetti che accelerano i raggi cosmici alle energie più elevate, cioè fino a 1020 eV. Tali neutrini cosmici potrebbero essere prodotti direttamente da un nucleo galattico attivo, cioè un AGN, oppure essere generati da una particella carica, prodotta dall'AGN, che interagisca poi nel cosmo.

Per questo motivo il recente risultato della collaborazione IceCube è di notevole importanza. In IceCube - una collaborazione internazionale composta da 2500 scienziati - gli eventi indotti dai neutrini sono studiati per mezzo dell'effetto Cerenkov nel ghiaccio. La trasparenza del ghiaccio antartico permette ai fotoni Cerenkov di essere raccolti dai fotomoltiplicatori, consentendo così di studiare gli eventi di neutrino. In questo studio, è stato importante rigettare il copioso fondo, dovuto agli eventi provenienti dall'atmosfera, dove i raggi cosmici generano molti neutrini. Questi neutrini vanno distinti da quelli che provengono dallo spazio, e questo è stato possibile grazie a una lunga e accurata analisi, che ha fatto uso di parametri quali l'energia e la distribuzione angolare.

Tra le caratteristiche interessanti di questo lavoro vi è il fatto che i neutrini spaziali identificati hanno energia dell'ordine delle centinaia di TeV. A queste energie non è più del tutto vero che la Terra risulti trasparente ai neutrini. E infatti la distribuzione osservata dei neutrini spaziali mostra un effetto di schermo dovuto al nostro pianeta.
Il risultato dell'analisi di IceCube ha consentito l'identificazione di 28 neutrini di provenienza cosmica. E siccome tali neutrini provengono indisturbati dalle profondità dell'Universo, è stato già possibile costruire una prima rudimentale mappa del cielo a neutrini di alta energia.
Naturalmente è ancora troppo presto per confrontare la mappa del cielo a neutrini di IceCube con, per esempio, la mappa del cielo a raggi cosmici di Auger. Ma indubbiamente un passo decisivo è stato fatto nell'aggiungere un ulteriore messaggero proveniente da quelle regioni del cosmo, dove presumibilmente risiedono gli oggetti più energetici dell'Universo.

Marco G. Giammarchi

Per leggere il lavoro: Science

 

29 novembre 2013
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