Alla Stazione Sud Pole Amundsen – Scott in Antartide si trova l'Osservatorio del Neutrino IceCube - una struttura dedicata allo studio delle particelle elementari conosciute come neutrino. Questo array è composto da 5.160 sensori ottici sferici - moduli ottici digitali (DOM) - sepolti in un chilometro cubo di ghiaccio limpido. Al momento, questo osservatorio è il più grande rivelatore di neutrini al mondo e ha trascorso gli ultimi sette anni a studiare come queste particelle si comportano e interagiscono.
Lo studio più recente pubblicato dalla collaborazione IceCube, con l'assistenza di fisici della Pennsylvania State University, ha misurato per la prima volta la capacità della Terra di bloccare i neutrini. Coerentemente con il Modello standard di fisica delle particelle, hanno stabilito che mentre migliaia di miliardi di neutrini passano attraverso la Terra (e noi) su base regolare, alcuni vengono occasionalmente fermati da essa.
Lo studio, intitolato "Misurazione della sezione trasversale di interazione del neutrino Multi-TeV con IceCube utilizzando l'assorbimento della terra", è recentemente apparso sulla rivista scientifica Natura. I risultati del gruppo di studio si basavano sull'osservazione di 10.784 interazioni fatte da neutrini ad alta energia e in movimento verso l'alto, che sono stati registrati nel corso di un anno all'osservatorio.
Nel 2013, i primi rilevamenti di neutrini ad alta energia sono stati effettuati dalla collaborazione IceCube. Questi neutrini - che si pensava fossero di origine astrofisica - erano nella gamma volt peta-elettrone, rendendoli i neutrini a più alta energia scoperti fino ad oggi. IceCube cerca i segni di queste interazioni cercando la radiazione di Cherenkov, che viene prodotta dopo che le particelle cariche in rapido movimento vengono rallentate interagendo con la materia normale.
Rilevando neutrini che interagiscono con il ghiaccio trasparente, gli strumenti IceCube sono stati in grado di stimare l'energia e la direzione di viaggio dei neutrini. Nonostante questi rilevamenti, tuttavia, rimaneva il mistero se qualsiasi tipo di materia potesse o meno fermare un neutrino mentre viaggiava nello spazio. In conformità con il modello standard di fisica delle particelle, questo dovrebbe succedere occasionalmente.
Dopo aver osservato le interazioni su IceCube per un anno, il team scientifico ha scoperto che i neutrini che dovevano viaggiare più lontano attraverso la Terra avevano meno probabilità di raggiungere il rivelatore. Come ha spiegato Doug Cowen, professore di fisica e astronomia / astrofisica a Penn State, in un comunicato stampa di Penn State:
“Questo risultato è importante perché mostra, per la prima volta, che i neutrini ad altissima energia possono essere assorbiti da qualcosa - in questo caso, la Terra. Sapevamo che i neutrini a bassa energia attraversano praticamente qualsiasi cosa, ma sebbene ci aspettassimo che i neutrini a più alta energia fossero diversi, nessun esperimento precedente era stato in grado di dimostrare in modo convincente che i neutrini a più alta energia potevano essere fermati da qualsiasi cosa. ”
L'esistenza dei neutrini fu proposta per la prima volta nel 1930 dal fisico teorico Wolfgang Pauli, che postulò la loro esistenza come un modo per spiegare il decadimento beta in termini di conservazione della legge energetica. Sono così chiamati perché sono elettricamente neutri e interagiscono solo con la materia in modo molto debole, cioè attraverso la forza subatomica debole e la gravità. Per questo motivo, i neutrini passano regolarmente attraverso la materia normale.
Mentre i neutrini sono prodotti regolarmente dalle stelle e dai reattori nucleari qui sulla Terra, i primi neutrini si formarono durante il Big Bang. Lo studio della loro interazione con la materia normale può quindi dirci molto su come l'Universo si è evoluto nel corso di miliardi di anni. Molti scienziati prevedono che lo studio dei neutrini indicherà l'esistenza di una nuova fisica, che va oltre il Modello standard.
Per questo motivo, il team scientifico è stato in qualche modo sorpreso (e forse deluso) dai risultati. Come ha spiegato Francis Halzen, il principale investigatore dell'Osservatorio Neutrino IceCube e professore di fisica all'Università del Wisconsin-Madison, ha spiegato:
“Comprendere come interagiscono i neutrini è fondamentale per il funzionamento di IceCube. Speravamo ovviamente che apparisse qualche nuova fisica, ma sfortunatamente scopriamo che il Modello Standard, come al solito, resiste al test.
Per la maggior parte, i neutrini selezionati per questo studio erano oltre un milione di volte più energici di quelli prodotti dal nostro Sole o dalle nostre centrali nucleari. L'analisi ha anche incluso alcuni di natura astrofisica - cioè prodotti oltre l'atmosfera terrestre - e potrebbe essere stato accelerato verso la Terra da buchi neri supermassicci (SMBH).
Darren Grant, professore di fisica all'Università di Alberta, è anche il portavoce della collaborazione IceCube. Come ha indicato, questo ultimo studio di interazione apre le porte alla futura ricerca sui neutrini. "I neutrini hanno una reputazione abbastanza meritata di sorprenderci con il loro comportamento", ha detto. "È incredibilmente eccitante vedere questa prima misurazione e il potenziale che possiede per i futuri test di precisione."
Questo studio non solo ha fornito la prima misurazione dell'assorbimento dei neutrini da parte della Terra, ma offre anche opportunità ai ricercatori geofisici che sperano di usare i neutrini per esplorare l'interno della Terra. Dato che la Terra è in grado di fermare alcuni dei miliardi di particelle ad alta energia che passano abitualmente attraverso di essa, gli scienziati potrebbero sviluppare un metodo per studiare il nucleo interno ed esterno della Terra, ponendo vincoli più precisi sulle loro dimensioni e densità.
Mostra anche che l'Osservatorio IceCube è in grado di andare oltre il suo scopo originale, che era la ricerca della fisica delle particelle e lo studio dei neutrini. Come dimostra chiaramente questo ultimo studio, è in grado di contribuire alla ricerca scientifica planetaria e anche alla fisica nucleare. I fisici sperano anche di utilizzare l'intero array IceCube a 86 stringhe per condurre un'analisi pluriennale, esaminando gamme ancora più elevate di energie di neutrino.
Come indicato da James Whitmore, direttore del programma della divisione di fisica della National Science Foundation (NSF) (che fornisce supporto per IceCube), ciò potrebbe consentire loro di cercare veramente la fisica che vada oltre il Modello standard.
“IceCube è stato costruito sia per esplorare le frontiere della fisica e, nel farlo, probabilmente per sfidare le percezioni esistenti sulla natura dell'universo. Questa nuova scoperta e altre ancora da venire sono in quello spirito di scoperta scientifica. "
Sin dalla scoperta del bosone di Higgs nel 2012, i fisici sono stati sicuri della consapevolezza che il lungo viaggio per confermare il Modello Standard era ora completo. Da allora, hanno spostato ulteriormente i loro set, sperando di trovare una nuova fisica in grado di risolvere alcuni dei misteri più profondi dell'Universo - ovvero supersimmetria, una teoria di tutto (ToE), ecc.
Questo, oltre a studiare come la fisica funziona ai massimi livelli di energia (simili a quelli che esistevano durante il Big Bang) è l'attuale preoccupazione dei fisici. Se avranno successo, potremmo solo capire come funziona questa cosa enorme conosciuta come l'Universo.
