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IceCube: tre anni di ricerche sui neutrini atmosferici

Scritto da Annalisa Arci il 20.04.2015

Ogni secondo il nostro corpo è attraversato da trilioni di neutrini. Come è noto, queste particelle hanno una massa così piccola che è difficilissimo misurarla, senza contare che, interagendo molto debolmente con la materia ordinaria, passano del tutto indisturbati attraverso la “materia”.

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(Crediti T. Waldemaier)

La ricerca di nuovi metodi per misurare la massa di queste elusive particelle, scoprire se neutrini ed antineutrini sono la stessa cosa oppure no, è di fondamentale importanza per varie ragioni. Non solo per affinare ulteriormente il Modello Standard della fisica alle alte energie che, come sapete, prevede ad oggi 16 tipi di particelle, neutrini inclusi, ma soprattutto capire perché è la materia barionica (e non l’antimateria) a dominare l’Universo, pur essendosi formate in quantità speculari subito dopo il Big Bang.

Anche se siamo ancora lontani dal fornire una risposta a tutte queste domande, è stato appena pubblicato un significativo articolo che riporta una serie di risultati nella ricerca sui neutrini atmosferici ottenuti grazie all’analisi dei dati raccolti dalla IceCube Collaboration in tre anni di lavoro. Il paper è stato pubblicato nella rivista Physical Review D.

Vediamo in che contesto si inserisce questo nuovo studio. I neutrini sono particelle subatomiche senza carica, quasi prive di massa e che interagiscono con la materia ordinaria solo attraverso la forza nucleare debole. Come risultato, essi possono passare attraverso grandi quantità di materia del tutto indisturbati. Per studiarli, i fisici si servono enormi rivelatori e sono guidati da un’idea di base: concentrando un gran numero di nuclei bersaglio, le probabilità di ottenere qualche collisione aumenta, e così aumenta la capacità di rilevarli. Sappiamo già dei progressi di Borexino sui neutrini sterili e dei progressi sui neutrini extrasolari ad alte energie. 

(Crediti: IceCube Collaboration).

Ora è stato possibile approfondire la natura dei neutrini atmosferici. IceCube è gestito da una collaborazione internazionale con sede presso il Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center (WIPAC). IceCube è composto da più di 5.000 moduli ottici digitali sospesi in un Km3 di ghiaccio al Polo Sud. L’osservatorio della National Science Foundation rileva i neutrini attraverso i minuscoli lampi di luce blu prodotti quando un neutrino interagisce con una molecola d’acqua nel ghiaccio.

Si tratta di una stazione di ricerca che registra le collisioni tra i neutrini e le particelle di ghiaccio tramite una rete di sensori ottici posti sottoterra; i sensori registrano collisioni all’incirca ogni sei minuti, e sono osservabili perché sono eventi che rilasciano una quantità sufficiente di radiazione Cherenkov lungo un un’area grande come sei isolati di una città. La radiazione Cherenkov si ottiene quando una particella carica viaggia ad una velocità superiore a quella della luce attraverso un mezzo.

Il passaggio origina un impulso elettromagnetico, di breve durata, che si dipana nelle immediate vicinanze della particella (di conseguenza, il mezzo irradierà in una banda di frequenze verso l’ultravioletto). Pensate ad un enorme telescopio che si erge nel ghiaccio antartico. Questo è IceCube. Nella stazione al Polo Sud che vedete qui sotto, il gruppo di ricerca in tre anni ha analizzato 5.200 interazioni tra neutrini atmosferici e gli atomi nel ghiaccio.

(Crediti: Lidström, IceCube/NSF)

“Oltre ai rari neutrini cosmici, stiamo anche studiando i neutrini creati nell’atmosfera terrestre al fine di svelare le proprietà fisiche dei neutrini.  […] “I neutrini creati nell’atmosfera sopra il Polo Nord sono  per lo più muoni. Sulla loro strada attraverso la Terra (13 mila chilometri), i neutrini muonici subiscono fluttuazioni quantistiche che li possono cambiare in un altro tipo di neutrino, neutrini tau soprattutto, prima di essere finalmente rilevati da IceCube dall’altra parte del globo. Ora possiamo studiare questi effetti in modo molto più dettagliato rispetto al passato e in questo modo siamo in grado di acquisire nuove conoscenze nelle loro caratteristiche fisiche”, spiega Jason Koskinen, coordinatore del team di IceCube al Niels Bohr Institute dell’Università di Copenaghen.

“Abbiamo confermato che i neutrini subiscono oscillazioni anche ad alti livelli di energia e abbiamo calcolato di quanto sono queste oscillazioni, In questo studio, abbiamo misurato solo neutrini muonici e in confronto al numero ingente di neutrini muonici che si formano nell’atmosfera e passano attraverso la Terra ne possiamo vedere solo una frazione al Polo Sud. La spiegazione è che i neutrini muonici subiscono fluttuazioni quantistiche che li trasformano in neutrini tau, che non vediamo. Se non avessero cambiato sapore, avremmo potuto rilevarli. I nostri calcoli mostrano che il 20%  hanno subito fluttuazioni quantistiche e hanno cambiato sapore proprio passando attraverso la Terra “, conclude Jason Koskinen.

Utilizzare i neutrini come “strumento” per le osservazioni astronomiche sembra l’obiettivo più immediato di queste ricerche.

Bibliografia:

M. G. Aartsen et alii., (IceCube Collaboration), Determining neutrino oscillation parameters from atmospheric muon neutrino disappearance with three years of IceCube DeepCore data, in “Physical Review D“, 91, 072004, 2015.

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