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Trovata per la prima volta la fonte dei neutrini “fantasma”

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Neutrini interagiscono con una molecola di ghiaccio - IceCube

Neutrini “fantasma”, così sfuggenti e minuscoli da poter attraversare la Terra come fosse trasparente. Scoperta per la prima volta l’origine

È una scoperta che ha dell’incredibile nel mondo dell’astronomia. Sia per come è stata prodotta, con una collaborazione internazionale senza precedenti. Sia per le rivelazioni che contiene. Per la prima volta è stata identificata l’origine di uno degli sfuggevoli neutrini “fantasma”.

Scopriamo insieme di più su queste minuscole particelle e su una scoperta a cui la ricerca italiana ha dato un contributo essenziale.

Neutrini: cosa sono

Prima di scoprire di più sull’evento che sta entusiasmando gli scienziati di mezzo mondo nelle ultime ore, proviamo a capire di più qualcosa su queste particelle sfuggenti che prendono il nome di neutrini.

I neutrini sono tra le particelle fondamentali più leggere del modello standard. Sono così piccoli da non avere quasi massa e sono poco “socievoli”: reagiscono con la materia circostante solo molto raramente.

Come dice il nome, i neutrini sono neutri non hanno cioè carica elettrica. Il nome è stato assegnato alla particella da Enrico Fermi, il celebre fisico italiano, negli anni ’30, quando l’esistenza del neutrino era solo supposta, non osservata direttamente.

Il neutrino è considerata da molti fisici come “la particella più vicina al nulla”. La loro osservazione è estremamente difficile, al punto che vengono amichevolmente chiamati “fantasmi” dai ricercatori.

I neutrini ad alta energia

In particolare, i neutrini fantasma sono quelli ad alta energia. Sono particelle così minuscole che possono attraversare la Terra come se fosse trasparente, senza incontrare alcun ostacolo.

È possibile osservarli nei rarissimi casi in cui interagiscono con il nucleo di un atomo.

Quando questo accade, si crea infatti una particella carica secondaria, che produce per una frazione di secondo un cono di luce blu. Per individuare questo fenomeno rarissimo, sono stati creati degli enormi rilevatori di neutrini ad alta energia.

Il più grande di questi è IceCube e si trova al Polo Sud, presso la stazione Amunden-Scott. Per realizzarlo è stato necessario il contributo di 49 istituti di ricerca, da 12 diversi Paesi del mondo. IceCube consiste in un enorme rilevatore dotato di cinquemila sensori ottici sensibilissimi.

Una rete di “spioni” cosmici che non fa altro che attendere il passaggio di un neutrino ad alta energia che vada a urtare un atomo. In particolare, ai ricercatori di IceCube interessano i neutrini intorno ai 300 teraelettronvolt, unità di misura dell’energia. Per fare un confronto, nell’acceleratore di particelle più potente del mondo, presso il Cern di Ginevra, i fasci di protoni studiati hanno un’energia di “appena” 6,5 teraelettronvolt (Tev).

Perché è importante studiare i neutrini?

Sono diverse le ragioni che rendono interessante lo studio di questi neutrini ad alta energia. Abbiamo detto che urtando contro un atomo, il neutrino produce una particella secondaria e una luce blu. Queste ultime mantengono la stessa traiettoria del “fantasma”. Studiandole, quindi, è possibile risalire alla fonte che ha in origine emesso il neutrino.

Questo è interessante perché studiando la provenienza dei neutrini possiamo “vedere” le razioni nucleari che avvengono al centro dei corpi celesti che li hanno prodotti.

Come hanno spiegato da IceCube, “i neutrini sono preziosi messaggeri per studiare eventi estremi dell’universo in un modo completamente nuovo. La loro scoperta può infatti aiutare a comprendere alcuni misteri del cosmo: come esplode una stella, cosa accade nei pressi di un buco nero e qual è l’origine dei raggi cosmici che piovono incessantemente sulla Terra”.

Scoperta per la prima volta l’origine di un neutrino

Ma veniamo ora all’incredibile scoperta che in questi giorni ha sconvolto il mondo scientifico.

Il 22 settembre 2017 IceCubo osserva un neutrino, ribattezzato IC-170922A. il suo viaggio è cominciato più o meno nel momento in cui nasceva la Terra: quattro miliardi e mezzo di anni fa. Il neutrino attira l’attenzione dei ricercatori in Antartide soprattutto perché ha un’energia elevatissima: 290 Tev.

Gli osservatori capiscono subito che si tratta di una particella che proviene da molto lontano e che è stata generata da un oggetto celeste estremamente violento. Per studiarlo al meglio, capire da dove proviene, lanciano quindi una chiamata a raccolta di tutti gli astrofisici del mondo, perché osservino l’evento. Ed è qui che entrano in gioco anche gli italiani.

L’allerta globale

Per studiare al meglio il neutrino, è necessario osservare con attenzione anche dei fotoni ad alta energia dei raggi gamma, anche loro messaggeri dell’evento che ha prodotto la particella fantasma.

I ricercatori di IceCube hanno però la capacità di rilevare unicamente i neutrini. Per studiare quindi i fotoni lanciano un’allerta a tutti i telescopi, spaziali e terrestri, con lo scopo di identificare la sorgente dell’evento con precisione.

A rispondere all’appello per primo è il satellite Fermi, realizzato dalla Nasa, con la partecipazione di Inaf (Istituto Nazionale di Astrofisica), Infn (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) e Asi (Agenzia Spaziale Italiana).

È Fermi, con il suo telescopio Lat (Large area telescope) a osservare i raggi gamma provenienti dalla stessa fonte del neutrino. I ricercatori individuano così la sorgente in un blazar, nome in codice TXS o506+056.

Che cos’è un blazar?

Come sappiamo, al centro di molte galassie si trova un buco nero (ce n’è uno anche al centro della nostra Via Lattea, che però è quiescente: non assorbe la materia circostante). Un blazar (blazing quasi-stellar object) è una enorme sorgente di energia che si sviluppa nei pressi di buchi neri supermassicci posti al centro di una galassia. Senza entrare troppo nel dettaglio, sono una sorta di acceleratori di particelle naturali che operano a energie elevatissime. Da qui l’ipotesi che producano neutrini ad alta energia.

Il contributo essenziale dell’Italia

Ma torniamo alla nostra scoperta. Per confermare la sua ipotesi, ovvero che il neutrino osservato proviene dalla costellazione di Orione a quattro miliardi di anni luce dalla Terra, dal satellite Fermi inviano un ulteriore “allarme” per direzionare gli sforzi di ricerca verso il blazar TXS 0506+056.

Qui entra in gioco Agile, un satellite italiano realizzato dall’Asi, con il contributo di Inaf e Infn, che conferma l’ipotesi:

«Con questa osservazione – sottolinea Paolo Padovani, dell’Eso (European Organisation for Astronomical Research in the Southern Hemisphere) – abbiamo dato un contributo fondamentale per dimostrare che i blazar sono una delle fonti dei neutrini cosmici».

I raggi cosmici

La scoperta è importante anche per capire qualcosa in più dei cosiddetti raggi cosmici. Si tratta delle particelle con la più alta energia mai osservate, fino a 100 milioni di volte più alte delle particelle del CERN di Ginevra.

Come per i neutrini, anche questi raggi si formano al di fuori della nostra galassia. Ma se è difficile studiare la provenienza dei primi, per i raggi cosmici la faccenda si fa ancora più complicata. Questo perché questi ultimi sono costituiti da particelle cariche, a differenza dei neutrini. Il loro movimento è quindi disturbato dai campi magnetici.

È noto però che nel momento in cui si producono dei raggi cosmici, allora saranno “creati” anche dei neutrini. Seguendo quindi la traiettoria di questi fantasmi, possiamo risalire alle tracce anche dei raggi cosmici, provando a saperne di più. Per ora, gli astronomi suppongono che nascano da eventi cosmici colossali ed estremamente violenti: collisioni tra galassie, per esempio.

L’astronomia multi-messaggio

La ricerca è infine un’ulteriore conferma delle potenzialità della cosiddetta astronomia multi-messaggio o multimessaggero. Cosa vuol dire? Nell’osservare dell’Universo gli scienziati provano a capire com’è nato, come funziona e da cosa è costituito. Fino a pochi mesi fa, si lavorava all’osservazione di singoli avvenimenti o segnali, con mezzi diversi.

Come abbiamo visto oggi, la nuova frontiera è nell’osservare congiuntamente due fenomeni: nello specifico, i neutrini e i fotoni energetici. Ecco perché è chiamata astronomia multi-messaggio. Si tratta di nuovo modo di scrutare stelle e galassie, nato ad agosto nel 2017, quando i ricercatori catturarono per la prima volta il segnale congiunto proveniente da onde gravitazionali e fotoni. L’evento in quel caso era la collisione di due stelle di neutroni.

La speranza è che questa osservazione multi-canale permetta all’uomo di scoprire ancora qualcosa in più su questo immenso, incredibile universo.

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Photo Credit: Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube

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