Neutrini astrofisici e l’origine dei raggi cosmici

RICERCANDO ALL’ESTERO – “Cercare risposte con il naso all’insù mi ha sempre affascinato. Certo, i miei studi non si traducono subito in qualcosa di concreto ma secondo me non bisogna mai fermarsi al beneficio immediato ma sempre credere nella ricerca fondamentale e nella conoscenza. E poi studiare i raggi cosmici mi ha portato al Polo Sud, l’Antartide è un posto magico”.

Nome: Elisa Pinat
Età: 30 anni
Nata a: Udine
Vivo a: Bruxelles (Belgio)
Dottorato in: (in corso) Fisica nucleare (Bruxelles, Belgio)
Ricerca: Esperimento IceCube, un telescopio a neutrini al Polo Sud
Istituto: Interuniversity Institute for High Energies (Belgio)
Interessi: viaggiare, cucinare, andare a cavallo.
Di Bruxelles mi piace: la birra, il cioccolato.
Di Bruxelles non mi piace: il meteo, gli attentati, la frattura profonda tra la parte francofona e quella fiamminga.
Pensiero: E se la trovi povera, non per questo Itaca ti avrà deluso. Fatto ormai savio, con tutta la tua esperienza addosso già tu avrai capito ciò che Itaca vuole significare. (Konstantinos Kavafis, Itaca)

Che cosa è IceCube?
Icecube è un telescopio a neutrini, uno strumento che guarda costantemente al cielo ma, a differenza dei telescopi normali che ricevono fotoni, rivela appunto neutrini. Consiste in 86 stringhe, cavi situati a una profondità tra 1450 e 2500 metri nel ghiaccio dell’Antartide, su un’area di circa 1 km³. Le stringhe sono distanti tra loro circa 125 metri e ciascuna di esse ha 60 fotomoltiplicatori che, ogni 17 metri, registrano il segnale, lo amplificano e lo trasformano affinché sia misurabile. Date le dimensioni dello strumento, l’energia minima che il neutrino deve avere per essere rivelato è di 100 GeV.

In realtà, i fotomoltiplicatori non misurano direttamente i neutrini ma il prodotto della loro interazione con la materia, cioè quella che viene chiamata luce di Cherenkov. Da questa luce riusciamo a risalire a proprietà come la direzione e l’energia del neutrino. Ci sono tre tipi di neutrini in grado di generare la luce di Cherenkov, a seconda del tipo di leptone a cui sono associati, ovvero elettrone, tau o muone. Possiamo distinguere quale tra queste particelle fondamentali è stata prodotta dalla forma del segnale registrato dal fotomoltiplicatore. Muone ed elettrone sono i più facili da riconoscere perché il primo attraversa il ghiaccio, quindi vedremo una striscia dritta, mentre il secondo produce una sfera di luce causata da una cascata di fotoni isotropica. Il tau ha una forma strana e, a energie sufficientemente elevate, si dovrebbero vedere due sfere.

Per quanto riguarda il tipo di informazione, il segnale del muone ha un ottimo puntamento ed è possibile dire esattamente da dove il neutrino è arrivato, localizzarlo nel cielo, con un errore di mezzo grado. Della sua energia non abbiamo invece una buona stima. Al contrario, per l’elettrone misuriamo con grande accuratezza l’energia ma non sappiamo dire da dove viene perché è isotropico. Il segnale del tau non l’abbiamo ancora visto.

Che studi si possono fare grazie a IceCube?
Nel 1912 Victor Hess, con i famosi viaggi in pallone, ha misurato i raggi cosmici e ha visto per la prima volta che c’è una radiazione che arriva dallo spazio. Dopo un secolo dalla sua scoperta, ancora non sappiamo l’origine né come e dove queste particelle vengono prodotte e accelerate. A ora si concorda sul fatto che raggi con energie inferiori a 1 Gev provengono dal Sole, quelli sopra 1 Gev hanno origine galattica mentre oltre 10⁸ GeV si assume che l’origine sia extragalattica.

Lo scopo principale di IceCube è investigare i meccanismi di produzione e accelerazione dei raggi cosmici ad alte energie. L’idea di base è che nell’Universo ci siano degli acceleratori cosmici di particelle, un po’ come LHC a Ginevra, di cui non conosciamo né la posizione né il funzionamento o l’evoluzione. Ma sappiamo che ci sono, perché esperimenti come Auger sono riusciti a misurare lo spettro delle particelle accelerate. Volendo nominare un paio di candidati per la produzione di questi raggi cosmici a energie elevate, tra i favoriti ci sono gli SNR, o resti di supernova, cioè residui di gigantesche esplosioni che avvengono alla morte di una stella; i GRB, gamma ray burst, misteriosi lampi di raggi gamma ad altissime energie; oppure gli AGN, i nuclei galattici attivi.

Auger non è in grado di localizzare queste sorgenti, perché i protoni che misura sono particelle cariche deviate dai campi elettromagnetici. Quindi per ottenere informazioni sull’origine dei raggi cosmici bisogna passare ad altri messaggeri, come fotoni e neutrini, che essendo neutri non subiscono deviazioni. Per moltissimo tempo, tutte le informazioni sul cosmo le abbiamo ottenute dallo studio dei fotoni che, per quanto fantastici in termini di ampio intervallo di energia e di strumentazione a nostra disposizione, non sono ideali perché vengono facilmente assorbiti dalle zone dense, dalle polveri o dalle deformazioni stellari di questi acceleratori. Quindi in pratica, possiamo capire la loro direzione di provenienza ma non ci danno nessuna informazione sull’interno della stella che li ha prodotti.

Quali sono i vantaggi dei neutrini?
Innanzitutto non interagiscono facilmente, che da un lato è molto positivo perché viaggiano indisturbati per anni luce e dall’altro ci costringono a un rivelatore di dimensioni consistenti come 1 km³ cubo di ghiaccio. Inoltre indirizzano al punto di emissione e non vengono assorbiti. Un rivelatore come IceCube viene attraversato da circa dieci eventi di neutrini astrofisici all’anno in confronto ai 10 neutrini atmosferici o i 10 milioni di muoni all’ora. Nel 2013 IceCube ha ricevuto il premio Breakthrough of the Year perché abbiamo pubblicato la prima evidenza della misura di un flusso di neutrini astrofisici: erano 28 eventi in 3 anni, adesso siamo a 54 eventi in 4 anni.

In che cosa consiste il tuo lavoro?
Mi occupo di studiare le cosiddette sorgenti estese fino a 5 gradi, sia quelle date dalla somma dei contributi di sorgenti puntiformi sia quelle estese spazialmente in natura.

Le sorgenti puntiformi sicuramente esistono, sono là fuori da qualche parte, ma il loro flusso in neutrini non è sufficientemente elevato da essere visto da IceCube. Anche le sorgenti estese esistono e il vantaggio è che sono già state rivelate da strumenti che studiano i raggi gamma come MILAGRO e H.E.S.S.. Affiancare a queste analisi in fotoni uno studio in neutrini astrofisici potrebbe facilitarci la vita nel riuscire a rivelare un segnale sulla provenienza dei raggi cosmici, sui processi di produzione e sulla loro accelerazione. Finora purtroppo non abbiamo individuato nessun clustering significativo di questi eventi nello spazio.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?

Ho iniziato il dottorato occupandomi di hardware e vorrei tornare a occuparmi della parte pratica delle strumentazioni. C’è l’idea di creare un IceCube di seconda generazione, di dimensioni molto più grandi, per cui sarà necessario sviluppare una nuova tecnologia di comunicazione dati tra il fotomoltiplicatore e il computer che sta sopra. Il metodo attuale si basa su cavi molto costosi e non è possibile replicare lo stesso sistema a scale 10 volte più grandi. Dobbiamo inventarci qualcosa di nuovo.

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