Il neutrino cosmico come si studia e come studiarlo in futuro

Il neutrino cosmico, il Big Bird dal buco nero in una lontana galassia. È stato osservato nel 2012 dall’esperimento Ice-Cube in Antartide e dal telescopio spaziale Fermi, ma ora ha un’origine. Una potente esplosione avvenuta 10 miliardi di anni fa, generata dal buco nero della lontana galassia PKS B1424-418. Nel dicembre 2012 alcuni telescopi hanno osservato un neutrino super energetico e ci s’interrogava da dove fosse arrivato? Finora nessuno era riuscito a dare una risposta.                                                                                                        Il “Big Bird“, ribattezzato così per la sua energia da record, pari a 2mila milioni di elettronvolt, che ne fa il secondo neutrino più energetico mai rivelato, arriva dalla lontana galassia PKS B1424-418, dove 10 miliardi di anni fa è stato emesso dalla potente esplosione di un buco nero che si trova al centro della sorgente galattica. La risposta ora arriva dai ricercatori dell’università di Wuerzburg, in Germania, guidati dall’astrofisico Matthias Kadler, rendendo noti i risultati ottenuti dall’elaborazione dei dati di Ice-Cube. Tutto ebbe inizio 100 anni fa, quando uno scienziato austriaco, Victor Hess, scoprì i raggi cosmici. Hess grazie ad una serie di voli in mongolfiera, misurò le radiazioni intorno a lui ad altitudini fino e oltre cinque chilometri, però a mano a mano che saliva attraverso l'atmosfera, i livelli di radiazione calavano, per risalire vertiginosamente se scendeva al livello del mare. Le radiazioni dovevano in qualche modo raggiungere la Terra dallo spazio. I raggi cosmici sono ormai noti per essere particelle altamente energetiche che hanno origine nello spazio e bombardano il nostro pianeta da tutte le direzioni. La maggior parte sono costituiti da particelle cariche, come gli ioni metallici, ma questi sono di scarsa utilità per gli scienziati spaziali che sperano di scoprire le origini dell'alta energia dei raggi cosmici. Le particelle cariche sono deviate dai campi magnetici nella loro corsa attraverso lo spazio, rendendo difficile, o impossibile, ripercorrere il loro percorso e individuare il loro luogo di nascita cosmica. I neutrini sono diversi. Prodotti insieme ai raggi cosmici nello spazio esterno, i neutrini sono scariche e passano attraverso la materia quasi del tutto indisturbati.Infatti, si dirigono verso la Terra in linea retta dando agli scienziati una buona possibilità di risalire direttamente alle loro origini.
Tutto questo è stato elaborato nel laboratorio IceCube alla stazione del Polo Sud Amundsen-Scott in Antartide.

Nell'ultima metà del decennio, più di 5.000 palle di vetro grandi suppergiù come un cocomero, definite "digital optical module" (DOM)

sensore ottico_ICE CUBE

, sono state riunite e sepolte nel profondo della calotta antartica.
Spencer Klein, fisico del Lawrence Berkeley National Laboratory spiega: "Il DOM è un rilevatore di luce estremamente sensibile e si trova al centro di quello che deve essere uno dei progetti più ambiziosi nella storia della scienza. Con il congelamento di questi moduli nel terreno intorno alla stazione Amundsen-Scott, abbiamo trasformato un chilometro cubo di ghiaccio polare incontaminato, in un osservatorio cosmico enorme. L'IceCube, costato 272 milioni di dollari, non è il tipico telescopio; invece di raccogliere la luce delle stelle, dai pianeti o da altri oggetti celesti, cerca le particelle chiamate neutrini fantasma che si scagliano attraverso lo spazio con i raggi cosmici di energia elevata. Secondo i piani, l'osservatorio rivelerà la misteriosa provenienza di questi raggi e come possano essere così energici. IceCube in ultima analisi fornirà agli astronomi occhi nuovi con cui studiare l'universo.

 Dunque è stato un frutto d’ insieme, l’esperimento di rivelazione di neutrini ad altissima energia situato in Antartide, abbinato ai dati provenienti dal telescopio spaziale Fermi della NASA, in collaborazione degli enti italiani ASI, Inaf e Infn. IceCube è un esperimento che si trova in Antartide e punta a rivelare neutrini ad altissima energia. La storia di questo neutrino cosmico inizia 10 miliardi di anni fa, ma solo a dicembre 2012 i telescopi sono riusciti a osservarlo per la prima volta. La galassia da cui proviene il neutrino cosmico è classificata come una blazar a raggi gamma, un oggetto particolarmente attivo con un nucleo compatto e brillante. Questo eccesso di luminosità della sua regione centrale è prodotto dalla materia che, cadendo nel buco nero, con una massa milioni di volte superiore a quella del nostro Sole, viene riemessa in direzione della Terra.I dati di IceCube e del telescopio Fermi sono poi stati analizzati nel programma di osservazione a lungo termine Tanami. Quest’ultimo ha iniziato la sua attività nel 2007 e monitora circa 100 galassie attive, tra cui proprio la galassia identificata dal telescopio della Nasa. L’incrocio dei dati, ha spiegato Kadler, permette di risalire alla sorgente del neutrino cosmico.“Tenendo conto di tutte le osservazioni, il blazar sembra aver avuto mezzi, movente e opportunità per’sparare’ il neutrino Big Bird, per questo motivo è il nostro primo sospettato”. Tanami è un progetto che monitora circa 100 galassie attive. Ha analizzato i dati provenienti da IceCube e dal telescopio Fermi, contribuendo a determinare la sorgente del neutrino Big Bird, il neutrino da 2mila milioni di elettronvolt.

Da allora i ricercatori hanno elaborato i dati di questo evento altamente energetico, - spiega Roopesh Ojha, scienziato della Nasa. “I neutrini sono le particelle fondamentali della fisica più veloci, luminose, non interagenti e poco comprese". Oggi siamo in grado di rivelare quelli a più alte energie che arrivano dall’esterno della nostra galassia. Questo lavoro rappresenta la prima associazione plausibile tra un solo oggetto extragalattico e uno di questi neutrini cosmici”. Proprio il loro carattere non interagente con la materia circostante e l’altissima velocità prossima a quella della luce fanno dei neutrini particelle molto difficili da rivelare, ma allo stesso tempo le uniche in grado di sfuggire da oggetti celesti quali i buchi neri, la cui attrazione gravitazionale è tale da “risucchiare” anche la luce. I neutrini rappresentano ancora oggi per l’astrofisica un tassello chiave per svelare il puzzle dei misteri dell’universo.

L’astronomia del neutrino è pronta per le innovazioni. Dal 2010, l' esperimento IceCube in Antartide - 5.160 sensori ottici di dimensioni diffuse attraverso un chilometro cubo di ghiaccio - hanno rilevato alcune punteggio neutrini energetici provenienti dallo spazio profondo. Anche se questi sono reperti interessanti che sollevano molte domande, il numero irrisorio di particelle extraterrestri è troppo poco per raccontare le loro origini o per testare fisica fondamentale. Per saperne di più sarà necessaria una nuova generazione di osservatori di neutrini. I neutrini sono particelle subatomiche che interagiscono solo debolmente, in modo che possano viaggiare in lungo attraverso lo spazio e anche penetrare la Terra. IceCube rileva i neutrini di alta energia, con energie superiori a circa 100 gigaelectronvolts. Questi sono prodotti quando i raggi cosmici - protoni ad alta energia o nuclei più pesanti dallo spazio - interagiscono con la materia e la luce. Ciò può accadere sia presso i siti, dove si producono i raggi cosmici, o quando i raggi entrano nell'atmosfera terrestre e si scontrano con le molecole di gas, rilasciando una cascata di particelle elementari. Neutrini prodotti in atmosfera sono centinaia di volte più numerosi di quelli astrofisici. Molti di fisica puzzle stanno per essere risolti da astronomia dei neutrini . Uno è l'origine dei raggi cosmici ad ultra-alta energia. Nel 1962, la matrice vulcano Ranch nel New Mexico ha rilevato un’enorme pioggia di particelle provenienti da un raggio cosmico impattante nell'atmosfera superiore. Più decine di tali eventi sono stati rilevati da allora. 50 anni dopo, i fisici non hanno ancora idea di come la natura accelera le particelle elementari a tali energie elevate. Le energie superano notevolmente la gamma di acceleratori Terra-bound, come il Large Hadron Collider (LHC), vicino a Ginevra, Svizzera; si richiederebbe un anello delle dimensioni dell'orbita terrestre attorno al Sole. C'è anche molto abbiamo bisogno di scoprire i neutrini stessi - la loro masse accuratamente, come si trasformano da un tipo in un altro, e se esistono altre forme previsti (ad esempio neutrini 'sterili'). I neutrini potrebbe anche aiutare a trovare la materia oscura, materia invisibile che ha una parte nel controllare i movimenti di stelle, gas e galassie. Decomposizione o annientare la materia oscura potrebbe produrre neutrini energetici che sarebbero visibili a neutrino telescopi.L'aspetto negativo di interazioni deboli neutrini 'è che un rivelatore di grande è necessario per catturare le particelle sufficienti per distinguere i pochi quelli spaziali dal molti altri provenienti da atmosfera terrestre. IceCube è il più grande sistema di neutrino-rilevamento in funzione, ma è troppo piccolo, e la raccolta di ulteriori dati è probabilmente troppo lenta per produrre innovazioni importanti nel prossimo decennio. Grandi osservatori di neutrini, con volumi che sono 10-100 volte superiore a quella di IceCube, sono essenziali per esplorare i processi più energetici nell'Universo. Determinazione delle masse dei diversi tipi di neutrino e lo studio su come i neutrini interagiscono con la materia entro la Terra potrebbe distinguere o escludere alcuni modelli di dimensioni spaziali extra e affrontare i problemi fondamentali per la fisica nucleare ad alta energia, come la densità dei gluoni (che mediano le forze tra i quark ) in nuclei pesanti. Disegni per i telescopi di neutrini sono sul tavolo da disegno e potrebbero essere installati e funzionanti in cinque a dieci anni - se le comunità  di astrofisici,  sui contenuti delle particelle e le caratteristiche nucleari- fisiche riescono ad incontrarsi e coordinare i finanziamenti. Un insieme complementare di diversi osservatori di neutrini sarebbero efficaci per lo studio della fisica ad energie oltre il LHC  con una frazione del costo,commensurata all'investimento su decine o centinaia di milioni di persone, piuttosto che decine di miliardi, di dollari. 

IceCube è diventata pienamente operativa in Antartide nel 2010 e, rileva la luce blu: radiazione Cherenkov che viene emessa dalle particelle cariche prodotte quando i neutrini energetici interagiscono con i nuclei atomici in acqua o ghiaccio. I computer agiscono come pettini, attraverso i dati per cercare le interazioni - tracce lunghe o cascate radiali di particelle provenienti da un punto . IceCube vede più di 50.000 neutrini candidati all'anno. Meno dell'1% sono dallo spazio. Ci sono diversi modi per distinguere  i neutrini cosmici da neutrini atmosferici. Gli eventi di altissima energia sono più probabilità di essere astrofisica. I neutrini atmosferici sono accompagnati da una pioggia di particelle, che può essere visto con i rilevatori sulla superficie del ghiaccio. I muoni, particelle subatomiche di breve durata, prodotte in queste docce, sono 500.000 volte più numerosi dei neutrini, e possono  anche penetrare il ghiaccio; così i segnali che viaggiano accompagnati da muoni verso il basso dal cielo sono probabilmente di origine atmosferica.Dal 2010, IceCube ha visto circa 60 candidati neutrini astrofisici . Altri esperimenti sono troppo piccoli per rilevare tali neutrini; questi includono ANTARES ,

una serie di fili di rilevatori ancorati al fondo del  Mediterraneo al largo di Marsiglia, in Francia, e un altro rilevatore simile nel  Lago Baikal, in Russia. Il loro tasso di rilevamento di neutrini astrofisici è alto come ci si poteva aspettare - se ci fossero più i neutrini, che avrebbero drenato i raggi cosmici della maggior parte della loro energia. Quindi, trovare le sorgenti astrofisiche dei neutrini dovrebbe essere facile. Il fatto che non li abbiamo trovati è un puzzle in crescita. Finora, i neutrini non sembrano provenire da siti particolari sul cielo , anche se diversi gruppi hanno suggerito un legame debole per il piano della Via Lattea.  GRB sono brevi raffiche di raggi gamma-potenti che vengono raccolti dai satelliti. Si pensava che l’emanazione provenisse sia da un buco nero in coalescenza con una stella di neutroni o con un altro buco nero (producendo una rapida raffica della durata di meno di 2 secondi); o dal crollo più lento di stelle supermassiccie (scoppia con la durata di secondi o minuti). Le particelle sono accelerate dall’ implosione o esplosione. Di più di 800 GRB esaminati dagli scienziati IceCube, nessuno è stato accompagnato da uno scoppio di neutrini, il che implica che i GRB possono produrre al massimo 1% dei neutrini astrofisici visti da IceCube .AGN sono galassie che nei loro centri hanno buchi neri supermassicci e accrescimento di gas. Le particelle possono essere accelerate a velocità relativistiche in getti di materiale fatti saltare fuori dal buco nero. Ma IceCube non vede associazioni tra neutrini energetici e galassie attive con getti che puntano verso la Terra, il che suggerisce che le galassie attive spiegano al massimo il 30% dei neutrini .Altre fonti improbabili includono galassie starburst, che contengono regioni polverose di intensa formazione stellare che sono crivellate da esplosioni di supernova ;  i magnetar, sono stelle di neutroni, circondato da forti campi magnetici che espellono potenti raffiche di neutrini per alcuni giorni (questi dovrebbero essere stati visti da IceCube); e resti di supernova, i cui campi magnetici sono troppo deboli per spiegare i neutrini più energetici , anche se si ritiene siano responsabili per la maggior parte di  raggi cosmici a più bassa energia, osservati nella Galassia. Altre possibilità più esotiche restano testate: non ancora le invisibili particelle di materia oscura supermassicci che annichilano e producono neutrini energetici; o il decadimento delle "stringhe" cosmiche, discontinuità nello spazio-tempo rimasto dal Big Bang. IceCube ha anche testato teorie fisiche alternative.                           Prossima generazione                                                                                                                 Ci sono due vie da percorrere: ingrandire le matrici ottiche attuali per raccogliere più neutrini, o trovare altre strategie per isolare i neutrini a più alta energia che devono essere di origine cosmica . Questi approcci coprono diverse categorie di energia e in tal modo la fisica complementare. In primo luogo, più grandi telescopi con l’ottica Cherenkov potrebbero essere implementate nei ghiacciai o un lago, mare o oceano - simile a IceCube o ANTARES ma con sensori ottici più efficienti e tecnologia più conveniente. Diversi gruppi hanno sviluppato progetti avanzati per questi concetti, ma mancano i finanziamenti. I rivelatori possono essere costruiti e operativi dal 2020. Per IceCube, migliorie tecniche comprendono tecnologia di perforazione più efficiente e sensori che si adattano a fori più stretti, che sono meno costosi da forare. Diversi siti offrono diversi vantaggi. L’Antartide offre una grande distesa di chiaro, ghiaccio compattato e infrastrutture. Ma rilevatori nell'emisfero settentrionale, per esempio, nel Mediterraneo, possono osservare più direttamente neutrini astrofisici dal centro della Galassia passati attraverso la Terra. L'assenza di potassio-40 e la bioluminescenza bassa in acqua dolce (che contribuiscono alla luce di fondo, possono confondere la ricostruzione di tracce delle particelle), e la presenza di una superficie ghiacciata durante l'inverno, semplificando la costruzione, rendono Lago Baikal un sito attraente. Il secondo approccio richiede la cattura di neutrini con energie superiori ai 10 8 GeV. I neutrini a questo livello energico sono rari - IceCube non ne ha visti - e una serie di almeno 100 km 3 sarebbe necessaria per acquisire un numero sufficiente di eventi. Poiché la luce ottica Cherenkov viaggia solo in decine di metri di ghiaccio o acqua, e copre un tale volume da richiedere milioni di sensori, sarebbe troppo costosa. Un modo più pratico è quello di cercare emissioni radio dalle interazioni dei neutrini con la calotta antartica. Quando i neutrini colpiscono un nucleo atomico nel ghiaccio, creano una pioggia di particelle cariche che sprigionano le onde radio nella gamma di frequenza di 50 megahertz a 1 gigahertz, così come la luce visibile. Le onde radio possono propagarsi per chilometri attraverso il ghiaccio.  Gli impulsi radio provenienti da neutrini con energie superiori ai 10 8 GeV dovrebbero essere abbastanza forti  da permettere la raccolta per le antenne nel ghiaccio. Due gruppi internazionali stanno costruendo prototipi e hanno cercato finanziamenti per espandere il progetto.                                                                                    Luce verde                                                                                                                                  Con una gamma di prezzi accessibili, di nuova generazione, le decisioni circa le priorità di progetto devono essere fatte e le sovvenzioni predisposte. Gli ostacoli principali sono i limitati budget nazionali della scienza. L’astronomia dei neutrini per la comunità astrofisica, necessita di mettere in comune le risorse per realizzare la promessa di queste tecniche. In primo luogo, uno o entrambi i successori di IceCube e ANTARES dovrebbero essere finanziati e costruiti. Un esperimento aggiornato IceCube (IceCub-Gen2) e il Cubic Chilometri Neutrino Telescope ( KM3NeT 

Stringa di  KM3NeT

), un progetto europeo proposto, sono entrambi i candidati forti ( nuova generazione telescopi neutrini' ). Se necessario, i gruppi di coordinamento IceCube, KM3NeT e il Gigaton rilevatore , una proposta matrice russa, dovrebbero esplorare la fusione queste collaborazioni di concentrarsi su un unico grande rilevatore presso il sito più conveniente. 

Telescopi di neutrini di nuova generazione

Rilevatori di neutrini più grandi sono stati proposti per catturare i neutrini cosmici abbastanza per sondare le energie estreme e testare la fisica di base e l'astronomia.
Sperimentazione	Rileva	Dove	Volume	Costo stimato (US $)
IceCube-Gen2	Ottico	South Pole, Antartide	10 km 3	400.000.000 $
Cubic Chilometri Neutrino Telescope (KM3NeT)	Ottico	Mar Mediterraneo (due siti presi in considerazione)	5 km 3	$ 250 milioni
Detector Volume gigaton	Ottico	Lago Baikal, in Russia	1 km 3	Sconosciuto
Askaryan Radio Array	Radio	South Pole, Antartide	> 100 km3	$ 5 milioni a 30 milioni di $
ARIANNA	Radio	Ross Ice Shelf, Antartide	> 100 km 3	$ 5 milioni a 30 milioni di $

In secondo luogo, almeno una serie di radio-rilevamento su 100-km 3  deve ottenere il via libera. Perché un tale progetto può essere fatto solo in Antartide, spetta a Science Foundation degli Stati Uniti , cioè il più grande sostenitore della ricerca in Antartide e realisticamente l'unico gruppo con adeguate risorse logistiche, per tirare fuori un progetto del genere. Molti gruppi non statunitensi sono interessati, e collaborazioni devono essere impostate e costi condivisi a livello internazionale. Una volta provata, una tale varietà potrebbe essere estesa per coprire 1000 km 3 circa, nel 2030, per monitorare l'universo a ultra-alta energia. Trovando le sorgenti astrofisiche di neutrini ultra-energetici e raggi cosmici - o escludendo i rimanenti modelli - la prossima generazione di osservatori di neutrini è garantita che potrà fare nuove scoperte.