ASTROFISICA/ Dal buco nero al Polo Sud: il lungo viaggio dei neutrini messaggeri

- Gianpaolo Bellini

Scoperto un neutrino di altissima energia: 290 tera-elettronvolt (TeV), cioè 290 mila miliardi di elettronvolt proveniente da una Galassia lontana 4,5 miliardi di anni luce GIANPAOLO BELLINI

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Una immagine elaborata di neutrini

I neutrini sono delle particelle elementari stabili, legati ai nuclei da forze nucleari deboli, che interagiscono pochissimo con la materia: possono attraversare l’Universo rimanendo indisturbati. Queste caratteristiche fanno dei neutrini delle formidabili sonde per avere informazioni su luoghi altrimenti irraggiungibili, come il Sole, del quale hanno svelato i meccanismi di produzione dell’energia, e l’interno della Terra, dando, questo ultimi, informazioni sulla composizione chimica del mantello terrestre. Ugualmente sono delle spie uniche di esplosioni di supernova, come nel caso della Supernova 1987, la cui esplosione è stata rivelata da un fiotto di neutrini osservato da vari esperimenti sulla terra.  

Ora, a quanto pare, è stato rivelato un neutrino di altissima energia: 290 tera-elettronvolt (TeV), cioè 290 mila miliardi di elettronvolt (tanto per avere un’indicazione, una normale molecola atmosferica ha un’energia di 0,03 eV) che dovrebbe provenire da una Galassia lontana da noi 4,5 miliardi di anni-luce. Essendo la massa del neutrino estremamente piccola (talmente piccola che finora non si è stati in grado di misurarla), la velocità del neutrino è praticamente quella della luce; questo significa che questo neutrino è stato emesso 4,5 miliardi di anni fa. L’osservazione è stata fatta dall’esperimento, “Ice cube”, un rivelatore costituito da fotomoltiplicatori immersi nel ghiaccio dell’Antartide ad una profondità variabile fra i 1,45 e 2,45 chilometri. 

I neutrini, avendo carica elettrica nulla, non possono essere rivelati, ma sono rivelati gli elettroni degli atomi dell’acqua ghiacciata, i quali urtati, anche se molto raramente, dai neutrini che trasmettono loro parte o quasi tutta la loro energia, diventano elettroni liberi che, muovendosi all’interno dell’acqua, provocano l’emissione di luce attraverso un fenomeno detto “Effetto Cherenkov”, dal nome dello scienziato che lo ha scoperto. I fotomoltiplicatori captano i fotoni di questa luce trasformandoli in impulsi elettrici. 

Ice cube aveva osservato due anni fa 13 neutrini di alta energia, la cui origine però non era stata individuata a meno di alcuni indizi. Questa volta Ice Cube, appena osservato un neutrino di altissima energia, ha allertato i radiotelescopi che scrutano l’Universo cercando emissioni elettromagnetiche, come i raggi gamma, fotoni che trasportano consistenti quantità di energia (tanto per intenderci, di energia superiore ai più comuni raggi X). Il Grande Radiotelescopio delle Canarie, di 10,4 metri, e altri rivelatori, fra i quali quello montato sul satellite italiano AGILE, hanno osservato l’emissione di un flusso di raggi gamma nella zona dell’Universo nella quale dovrebbe situarsi la provenienza del neutrino di alta energia. 

Fra i vari sistemi cosmici che popolano questa zona, sembra che il principale indiziato sia una galassia con al centro un importante buco nero, un cosiddetto “blazar”. Il meccanismo sarebbe il seguente: il blazar emette una scarica di protoni di altissima energia (hadronic flare), i quali scontrandosi con i fotoni emessi dallo stesso blazar, producono neutrini e fotoni gamma. La coincidenza spaziale fra l’emissione del neutrino osservato e l’osservazione del blazar in attività con emissione di raggi gamma, fa ritenere che il blazar possa essere il responsabile di tali emissioni.

In generale, è importante questa osservazione al di fuori del successo strumentale? Potrebbe essere un indizio del meccanismo con il quale vengono prodotti i cosiddetti Raggi Cosmici, che ci piovono sulla testa e che provengono in modo imprecisato dal cosmo. Questa osservazione dell’attività di un blazar potrebbe indicare una delle sorgenti di tali radiazioni.

Ritengo utile fare le seguenti osservazioni. Prima di tutto la difficoltà di osservare un evento di neutrino. Come già detto per essere osservato un neutrino deve interagire con la materia, evento molto raro. Per fare un esempio, il rivelatore di neutrini solari, Borexino, istallato nei laboratori sotterranei del Gran Sasso, osserva circa 45 neutrini al giorno a fronte di 60 miliardi di neutrini per centimetro quadrato e per secondo che arrivano sulla Terra! Quindi il neutrino osservato da Ice Cube era sicuramente accompagnato da un flusso di molti altri neutrini.

La seconda osservazione riguarda il ruolo della ricerca italiana nello studio della fisica del neutrino, ruolo estremamente rilevante. La scoperta dei meccanismi di produzione di energia solare mediante neutrini è in gran parte dovuta ad un esperimento del laboratorio italiano del Gran Sasso dell’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) così come l’osservazione dei neutrini provenienti dall’interno della terra (geoneutrini). Negli esperimenti che hanno contribuito in modi diversi all’osservazione della quale alla presente nota vi è una presenza importante degli enti di ricerca italiani, dal INFN, all’ASI (Agenzia Spaziale Italiana), all’INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica). Inoltre gli attori che hanno contribuito in vari entri europei e stranieri sono italiani che, come avviene frequentemente negli ultimi anni, lasciano il nostro paese in cerca di maggiore spazio professionale, dando sempre prova di ottima riuscita.

Infine, riportando di questi risultati, ho utilizzato molte volte il condizionale e espressioni parzialmente dubitative, non certo per sfiducia nei riguardi dei risultati sperimentali ottenuti. In astrofisica le deduzioni che possono essere tratte dai risultati dei rivelatori non hanno certo la stessa valenza di altre deduzioni, come ad esempio quelle che si possono trarre nella fisica nucleare e subnucleare. Questa differenza sta nell’impossibilità dell’astrofisica di fare facilmente delle osservazioni ripetute e men che meno di studiare i meccanismi riproducendoli in laboratorio. Così una osservazione singola, anche se particolare, non può da sola fornire una evidenza, ma solo un indizio importante. 

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