La struttura di superficie per l'esperimento IceCube, che si trova a circa 1,6 km di ghiaccio in Antartide. IceCube suggerisce che non esistono neutrini spettrali, ma un nuovo esperimento dice che lo fanno.
(Immagine: © per gentile concessione di IceCube Neutrino Observatory)
Nel deserto ghiacciato dell'Antartide si trova un enorme rivelatore di particelle, l'Osservatorio del Neutrino di IceCube. Ma cercare la superficie dello strumento si rivelerà difficile, perché la maggior parte dell'osservatorio è intrappolata sotto il ghiaccio. L'osservatorio internazionale è andato a caccia di neutrini: particelle prive di massa e senza carica che non interagiscono quasi mai con la materia. Ora, le sue osservazioni possono risolvere uno dei più grandi misteri dell'astronomia, rispondendo alle domande dietro l'origine dei neutrini e dei raggi cosmici.
Il più grande di tutti
L'osservatorio del Neutrino IceCube copre un chilometro cubo vicino al Polo Sud. Lo strumento copre un chilometro quadrato della superficie e si estende fino a una profondità di 4.920 piedi (1.500 metri). È il primo rilevatore di neutrini Gigaton mai costruito.
Mentre le fotografie di IceCube mostrano spesso un edificio seduto sulla superficie innevata, il vero lavoro viene svolto di seguito. L'esperimento multiuso include un array di superficie, IceTop, un array di 81 stazioni che si trovano sopra le stringhe. IceTop funge da rilevatore di calibrazione per IceCube, oltre a rilevare docce ad aria dai raggi cosmici primari e dal loro flusso e composizione.
Il denso sottorilevatore interno, DeepCore, è il motore dell'esperimento IceCube. Ciascuna delle stazioni IceTop è costituita da stringhe collegate a moduli ottici digitali (DOM) che sono distribuiti su una griglia esagonale distanziati di 125 piedi (410 piedi) di distanza. Ogni stringa contiene 60 DOM di dimensioni di pallacanestro. Qui, nel profondo del ghiaccio, IceCube è in grado di cacciare i neutrini che provengono dal sole, dall'interno della Via Lattea e dall'esterno della galassia. Queste particelle spettrali sono collegate ai raggi cosmici, le particelle di energia più alta mai osservate.
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Particelle misteriose
I raggi cosmici furono scoperti per la prima volta nel 1912. Le potenti esplosioni di radiazioni si scontrano costantemente con la Terra, scorrendo da tutte le parti della galassia. Gli scienziati hanno calcolato che le particelle cariche devono formarsi in alcuni degli oggetti e degli eventi più violenti e meno compresi dell'universo. La morte stellare esplosiva di una stella, una supernova, fornisce un metodo per creare raggi cosmici; i buchi neri attivi al centro delle galassie un altro.
Poiché i raggi cosmici sono costituiti da particelle cariche, tuttavia, interagiscono con i campi magnetici delle stelle e degli altri oggetti che attraversano. I campi si deformano e spostano il percorso dei raggi cosmici, rendendo impossibile per gli scienziati risalire alla loro fonte.
È qui che entrano in gioco i neutrini. Come i raggi cosmici, si ritiene che le particelle a bassa massa si formino attraverso la violenza. Ma poiché i neutrini non hanno carica, passano per campi magnetici senza cambiare il loro percorso, viaggiando in linea retta dalla loro fonte.
"Per questo motivo, la ricerca delle fonti dei raggi cosmici è diventata anche la ricerca di neutrini a energia molto elevata", secondo il sito web di IceCube.
Tuttavia, le stesse caratteristiche che rendono i neutrini messaggeri così buoni significano anche che sono difficili da rilevare. Ogni secondo, circa 100 miliardi di neutrini passano attraverso un pollice quadrato del tuo corpo. La maggior parte proviene dal sole e non è abbastanza energetica per essere identificata da IceCube, ma è probabile che alcuni siano stati prodotti al di fuori della Via Lattea.
La rilevazione dei neutrini richiede l'uso di materiale molto chiaro come acqua o ghiaccio. Quando un singolo neutrino si schianta contro un protone o un neutrone all'interno di un atomo, la risultante reazione nucleare produce particelle secondarie che emettono una luce blu nota come radiazione Cherenkov.
"I neutrini che rileviamo sono come impronte digitali che ci aiutano a comprendere gli oggetti e i fenomeni in cui vengono prodotti i neutrini", secondo il team di IceCube.
Condizioni difficili
Il Polo Sud potrebbe non essere lo spazio, ma porta le sue sfide. Gli ingegneri hanno iniziato la costruzione di IceCube nel 2004, un progetto di sette anni che è stato completato nei tempi previsti nel 2010. La costruzione potrebbe aver luogo solo per alcuni mesi all'anno, durante l'estate dell'emisfero australe, che si svolge da novembre a febbraio.
Alesare 86 fori richiede un tipo speciale di trapano, due dei quali, in realtà. Il primo avanzò attraverso il fuoco, uno strato di neve compattata, fino a circa 50 metri. Quindi un trapano ad acqua calda ad alta pressione si è sciolto attraverso il ghiaccio a una velocità di circa 2 metri (6,5 piedi) al minuto, fino alla profondità di 2.450 metri (8.038 piedi o 1,5 miglia).
"Insieme, i due trapani sono stati in grado di produrre costantemente fori verticali quasi perfetti pronti per lo spiegamento della strumentazione al ritmo di un foro ogni due giorni", secondo IceCube.
Le stringhe dovevano quindi essere rapidamente dispiegate nell'acqua sciolta prima del ricongelamento del ghiaccio. Il congelamento ha richiesto alcune settimane per stabilizzarsi, dopodiché gli strumenti sono rimasti intoccabili, congelati permanentemente nel ghiaccio e impossibili da riparare. Il tasso di guasto degli strumenti è stato estremamente lento, con meno di 100 dei 5.500 sensori attualmente non operativi.
IceCube ha iniziato a formulare osservazioni dall'inizio, anche mentre altre stringhe venivano distribuite.
Quando il progetto è iniziato, i ricercatori non erano chiari su quanto lontano avrebbe viaggiato la luce attraverso il ghiaccio, secondo Halzen. Con queste informazioni ben consolidate, la collaborazione sta lavorando verso IceCube-Gen2. L'osservatorio aggiornato aggiungerebbe circa 80 ulteriori stringhe di rivelatori, mentre la comprensione delle proprietà del ghiaccio consentirà ai ricercatori di posizionare i sensori in modo più ampio rispetto alle loro stime conservative originali. IceCube-Gen2 dovrebbe raddoppiare le dimensioni dell'osservatorio per circa lo stesso costo.
Scienza incredibile
IceCube ha iniziato a caccia di neutrini prima che fosse completato, producendo numerosi interessanti risultati scientifici lungo il percorso.
Tra maggio 2010 e maggio 2012, IceCube ha osservato 28 particelle ad altissima energia. Halzen attribuì la capacità del rivelatore di osservare questi eventi estremi al completamento del rivelatore.
"Questa è la prima indicazione di neutrini ad altissima energia che provengono dall'esterno del nostro sistema solare, con energie più di un milione di volte quelle osservate nel 1987 in relazione a una supernova vista nella Grande nube di Magellano", dice Halzen in una nota. "È gratificante vedere finalmente quello che stavamo cercando. Questa è l'alba di una nuova era dell'astronomia."
Nell'aprile 2012, una coppia di neutrini ad alta energia sono stati rilevati e soprannominati Bert ed Ernie, dopo i personaggi dello spettacolo televisivo per bambini "Sesame Street". Con energie superiori a 1 petaelectronvolt (PeV), la coppia è stata la prima neutrina definitivamente rilevata dall'esterno del sistema solare dalla supernova del 1987.
"È un grande passo avanti", ha dichiarato Uli Katz, un fisico di particelle dell'Università di Erlangen-Norimberga, in Germania, che non è stato coinvolto nella ricerca. "Penso che sia una delle scoperte più importanti in assoluto nella fisica delle astro-particelle", ha detto Katz a Space.com.
Queste osservazioni hanno portato all'IceCube assegnato il premio dell'anno 2013 per Physics World.
Un altro importante risultato è arrivato il 4 dicembre 2012, quando l'osservatorio ha rilevato un evento che gli scienziati hanno chiamato Big Bird, anche da "Sesame Street". Big Bird era un neutrino con un'energia superiore a 2 quadrilioni di elettronvolt, oltre un milione di volte superiore all'energia di una radiografia dentale, racchiusa in una singola particella con meno di un milionesimo di massa di un elettrone. All'epoca era il neutrino a più alta energia mai rilevato; a partire dal 2018, è ancora al secondo posto.
Con l'aiuto del telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA, gli scienziati hanno legato Big Bird allo scoppio altamente energetico di un blazar noto come PKS B1424-418. I blazar sono alimentati da buchi neri supermassicci al centro di una galassia. Mentre il buco nero divora il materiale, parte del materiale viene deviato in getti che trasportano così tanta energia da eclissare le stelle nella galassia. I getti accelerano la materia, creando neutrini e frammenti di atomi che creano alcuni raggi cosmici.
A partire dall'estate del 2012, il blazar brillava tra i 15 e 30 volte più luminoso dei raggi gamma rispetto alla sua media prima dell'eruzione. Un programma di osservazione a lungo termine chiamato TANAMI, che monitorava abitualmente quasi 100 galassie attive nel cielo meridionale, ha rivelato che il nucleo del jet della galassia si era illuminato quattro volte tra il 2011 e il 2013.
"Nessun'altra delle nostre galassie osservata da TANAMI durante la vita del programma ha mostrato un cambiamento così drammatico", ha dichiarato Eduardo Ros, dell'Istituto Max Planck per la radioastronomia (MPIfR) in Germania, in una dichiarazione del 2016. Il team ha calcolato che i due eventi erano collegati.
"Tenendo conto di tutte le osservazioni, il blazar sembra aver avuto mezzi, motivi e opportunità per sparare al neutrino del Big Bird, che lo rende il nostro principale sospettato", ha detto Matthias Kadler, professore di astrofisica all'Università di Würzburg in Germania."
Nel luglio 2018, IceCube ha annunciato che, per la prima volta, aveva rintracciato i neutrini nel loro blazar di origine. A settembre 2017, grazie a un sistema di allarme appena installato che trasmetteva agli scienziati di tutto il mondo in pochi minuti dal rilevamento di un forte candidato al neutrino, i ricercatori sono stati in grado di ruotare rapidamente i loro telescopi nella direzione in cui ha avuto origine il nuovo segnale. Fermi avvisò i ricercatori della presenza di un blazar attivo, noto come TXS-0506 + 056, nella stessa parte del cielo. Nuove osservazioni hanno confermato che il blazar stava divampando, emettendo esplosioni di energia più luminose del solito.
Per la maggior parte, TXS è un tipico blazar; è uno dei 100 blasoni più luminosi rilevati da Fermi. Tuttavia, mentre anche gli altri 99 sono brillanti, non hanno lanciato neutrini verso IceCube. Negli ultimi mesi, TXS è divampata, illuminata e attenuata fino a cento volte più forte rispetto agli anni precedenti.
"Tracciare quel neutrino ad alta energia rilevato da IceCube su TXS 0506 + 056 lo rende la prima volta che siamo stati in grado di identificare un oggetto specifico come probabile fonte di un neutrino ad alta energia," Gregory Sivakoff, dell'Università di Alberta in Canada, ha dichiarato in una nota.
IceCube non è ancora finito. Il nuovo sistema di allerta terrà gli astronomi in punta di piedi negli anni futuri. L'osservatorio ha una durata prevista di 20 anni, quindi c'è almeno un altro decennio di incredibili scoperte provenienti dall'osservatorio del Polo Sud.
