Dove nascono i neutrini più energetici, provenienti dallo spazio? Un gruppo di ricerca internazionale è riuscito a rispondere a questa domanda, individuando per la prima volta la sorgente di un neutrino cosmico ad alta energia. Questo genere di neutrino arriva dallo spazio insieme ai raggi cosmici, radiazioni potentissime composte da particelle (soprattutto protoni) e nuclei di atomi. Il team di ricerca, che include gruppi italiani dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf), Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn), dell’Agenzia spaziale italiana (Asi), nonché università ed enti di ricerca italiani, ha studiato questi rari neutrini. La prima allerta è giunta dal grande rivelatore Ice Cube in Antartide, che ha avuto un ruolo importante nello studio, individuando il neutrino super-energetico. I dati sono stati combinati con quelli di altri 15 esperimenti in tutto il mondo. I risultati sono pubblicati in duestudi su Science.
I neutrini sono particelle molto elusive: non hanno carica, hanno una massa piccolissima e interagiscono debolmente con la materia (non risentono dell’azione dei campi magnetici). Proprio perché così sfuggenti, miliardi di queste particelle raggiungono indisturbate la Terra e attraversano il nostro corpo in ogni secondo. La maggior parte dei neutrini sono prodotti principalmente dall’interazione tra raggi cosmici e particelle nell’atmosfera terrestre.
Finora gli scienziati hanno individuato e studiato soprattutto quelli a bassa energia all’interno dell’atmosfera terrestre o del sistema solare. Tuttavia esistono anche neutrini con un’energia significativamente maggiore, che sono molto più rari e che necessariamente non hanno un’origine locale (nell’atmosfera o nel Sistema Solare), ma nello spazio profondo. Questi ultimi vengono cercati da Ice Cube (nato con questo obiettivo): si tratta di una grande macchina, composta da 86 cavi d’acciaio e 5000 sensori di luce, con un insieme di rivelatori che occupano un chilometro cubo nei ghiacci del Polo Sud, a profondità fra 1.450 e 2.450 metri sotto terra.
Grazie a questo grande cacciatore di neutrini, i ricercatori sono riusciti a individuare una possibile sorgente di quelli cosmici ad alta energia. Ma non è stato facile. Il problema dei raggi cosmici, costituiti da particelle cariche come protoni, infatti, è che i loro percorsi non possono essere tracciati fin dal punto di partenza, dato che potenti campi magnetici, che riempiono lo spazio, deformano le loro traiettorie: insomma, è un po’ come se si riuscisse a vedere il letto di un fiume, ma non la sua fonte.
Tuttavia in questo caso i neutrini ci vengono in aiuto. Questi ultimi viaggiano indisturbati, dato che non sono carichi e non vengono deviati dai campi magnetici. Così il loro tragitto segue una linea retta ed è più facile da seguire fin dal punto di partenza. Sfruttando queste proprietà i ricercatori hanno studiato il comportamento di 82 neutrini altamente energetici, che sono molto rari, il tutto dal 2013 ad oggi.
Quando un neutrino altamente energetico interagisce con il nucleo di un atomo vicino al rivelatore Ice Cube, si genera una particella carica secondaria. Questa, a sua volta, produce un cono di luce blu, che viene identificato da Ice Cube attraverso la rete dei rivelatori. La particella carica e la luce sono nella stessa direzione, così è stato possibile per i ricercatori individuare la traiettoria del neutrino e la sua sorgente. Le prime coordinate della sorgente sono state identificate nel settembre scorso (il 22 settembre 2017), ma ci sono voluti alcuni mesi per studiare meglio la sua forma.
Si tratta di un blazar, denominato dagli autori TXS 0506+056, ungrande nucleo galattico ellittico associato a un buco nero molto massivo e ruotante al suo centro. Situato a circa 4 miliardi di anni luce di distanza dalla Terra, vicino alla costellazione di Orione, questa galassia è fortemente energetica e luminosissima. Ed emette getti di luce e particelle elementari, fra cui neutrini ad alta energia: uno di questi, il neutrino cosmico individuato il 22 settembre scorso, puntava direttamente verso la Terra. L’associazione fra il neutrino rilevato da Ice Cube e la blazar si fonda dunque sulla coincidenza della posizione all’interno di un decimo di grado.
“Il risultato dell’osservazione della prima sorgente nota di raggi cosmici e neutrini ad alta energia”, sottolinea Francis Halzen, fisico alla University of Wisconsin-Madison e a capo per la parte scientifica dell’Ice Cube Neutrino Observatory, “è stringente”. Si tratta dunque della prima volta in cui un oggetto celeste emettesia fotoni (luce) sia neutrini, la luce ha permesso di identificare il neutrino elusivo e a sua volta il neutrino ha fornito informazioni sulla sorgente delle particelle dei raggi cosmici.
“Si apre l’era dell’astrofisica multimessaggero”, aggiunge l’autore France Córdova della Nsf, “dove ciascun messaggero, dalla radiazione elettromagnetica alle onde gravitazionali e oggi i neutrini ci fornisce una più completa comprensione dell’universo”. Il risultato, inoltre, fornisce un nuovo tassello per comprendere dove nascono i raggi cosmici, che sono studiati da più di 100 anni e di cui non era nota l’origine.
Il risultato è stato corale e ha coinvolto più di 10 esperimenti in tutto il mondo. Appena rilevato il neutrino altamente energetico, la cui provenienza era sicuramente associata a grandi distanze, Ice Cube ha inviato un’allerta a vari telescopi, chiedendo di osservare la regione di origine del neutrino, in prossimità di Orione. Fra i vari esperimenti, il telescopio Fermi, missione della Nasa a cui l’Italia partecipa con Asi, Inaf e Infn, ha rilevato in quel punto una presenza di raggi gamma (i fotoni più energetici) più forti che mai vicino alla sorgente, il blazar TXS 0506+056.
Anche il telescopio Magic (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope), nelle Canarie, ha individuato un getto di raggi gamma potentissimi associati alla sorgente TXS. Una coincidenza non casuale: mettendo insieme questi dati, queste osservazioni hanno dimostrato che la sorgente TXS 0506+056 è una delle più luminose dell’universo noto, concludono gli autori, sufficientemente potente da accelerare raggi cosmici ad alta energia e produrre i neutrini associati.
