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IceCube scopre ancora neutrini anomali che fanno discutere gli scienziati

Un pallone aerostatico in Antartide sembra aver individuato delle particelle che la nostra attuale comprensione della fisica non riesce a spiegare. I neutrini, particelle elusive che sono dappertutto, tornano a far discutere gli scienziati. Stavolta, i ricercatori dell’esperimento IceCube Collaboration, che lavora nelle profondità ghiacciate del Polo Sud, hanno identificato due neutrini dalle caratteristiche anomale. Questi neutrini hanno un’energia straordinariamente alta e provengono da una direzione inaspettata. La loro presenza, qualora confermata, potrebbe di nuovo aprire di nuovo scenari di nuova fisica (nuove particelle o meccanismi) al di là del Modello standard, la teoria riconosciuta che descrive tutte le particelle note e quasi tutte le forze in natura. I risultati sono disponibili in preprint su arXiv, mentre sono stati sottomessi per la pubblicazione su The Astrophysical Journal.

La nuova analisi, condotta dal team di ricercatori dell’agenzia spaziale statunitense, sembra confermare i precedenti valori energetici estremamente elevati viste le dimensioni delle particelle, compresi tra 0,6 e 0,56 exaelettronvolt (miliardi di miliardi di elettronvolt). “Quasi quanto l”energia generata durante un servizio di tennis”, afferma Alex Pizzuto dell’Università del Wisconsin-Madison, non direttamente coinvolto nel progetto ANITA. La prima spiegazione, stando a quanto riportato sul New Scientist, era che queste particelle fossero neutrini, noti per la loro caratteristica di attraversare la materia.

Con livelli energetici così elevati, tuttavia, i neutrini avrebbero dovuto interagire con le particelle all’interno della Terra piuttosto che scivolare attraverso il pianeta per migliaia di chilometri con facilità. Gli scienziati sostengono però che un neutrino potrebbe adottare un simile comportamento se provenisse da un punto lontano nello spazio, come una galassia distante, che farebbe accelerare i neutrini verso di noi.

neutrini antartide

Fortunatamente, esiste un modo per verificare questa teoria. Pizzuto e i suoi colleghi sono infatti impegnati nel progetto IceCube Neutrino Observatory, un esperimento simultaneo ma dislocato in Antartide che ha lo scopo di rilevare una gamma più ampia di neutrini, comprese le varianti a bassa energia.

Questi avrebbero dovuto raggiungere la Terra circa quando sono state effettuate le rilevazioni di ANITA, se una fonte distante nello spazio fosse stata responsabile dell’eventualità. Il team di ricerca ha appena concluso l’analisi di dati provenienti da anni di misurazioni, cercando prove di queste teorie. Prove che però non sono state rintracciate, il che rende ancora più difficili da spiegare i dati rilevati da ANITA.

“Restano le possibilità più eccitanti o più noiose”, afferma Ibrahim Safa, impegnato nel progetto IceCube. “O ANITA ha trovato una prova di fisica esotica o c’è qualche sottile anomalia nelle letture del rilevatore che tutti hanno finora trascurato”, aggiunge. Stefan Soldner-Rembold, dell’Università di Manchester nel Regno Unito, afferma con sicurezza che sia possibile escludere la possibilità di un difetto nelle rilevazioni di ANITA.

“Qualunque cosa sia, che si tratti di una nuova fisica o di un processo che non abbiamo ancora capito, è molto interessante”, commenta il ricercatore. I fisici sono in attesa di un aggiornamento da parte del team ANITA che verrà pubblicato entro la fine dell’anno, in cui verranno descritti eventuali eventi anomali durante il quarto e ultimo volo del pallone nel 2016. Ciò potrebbe fornire dati su ulteriori rilevamenti ad alta energia e aiutare a risolvere il mistero. Nel frattempo, abbondano le teorie su cosa possano essere queste enigmatiche particelle.

Derek Fox dell’Università della Pennsylvania ha ipotizzato che potrebbero essere neutrini stau, una forma particolare del neutrino tauonico. Ciò sarebbe conforme alla teoria della supersimmetria, secondo cui tutte le particelle fondamentali hanno controparti molto più pesanti. Le rilevazioni ANITA potrebbero anche essere segni di materia oscura o neutrini sterili, sostengono alcuni. Pizzuto non azzarda teorie sull’eventualità che la nuova fisica possa risolvere il mistero. “Mi limiterò a pretendere fedeltà da qualsiasi modello. Penso sia ancora troppo presto per spiegare ciò in cui ANITA si è imbattuto”, commenta il ricercatore.

IceCube esclude l’ultima spiegazione di ANITA

L’osservatorio del Neutrino di IceCube è forse il telescopio più strano sulla Terra. Dalla sua casa al Polo Sud, si siede e aspetta che particelle fondamentali chiamate neutrini passino attraverso i suoi 5.160 rilevatori ottici sepolti nel ghiaccio. Quando un neutrino interagisce con un atomo di idrogeno o ossigeno nel ghiaccio, produce un segnale che IceCube può rilevare.

Ma IceCube non è l’unico esperimento di neutrini in Antartide. C’è anche l’esperimento ANITA (l’antartico impulsivo transitorio), che fa volare un pallone sopra il continente e punta le antenne radio verso il suolo. ANITA cerca le onde radio perché i neutrini a energia estremamente elevata – quelle centinaia di volte più energici di quelli che IceCube rileva comunemente – possono produrre intensi segnali radio quando si schiantano contro un atomo nel ghiaccio.

Dai suoi voli in mongolfiera, ANITA ha affermato di aver rilevato alcuni eventi che sembrano essere segnali di questi neutrini a energia estremamente elevata, quindi la collaborazione IceCube ha deciso di indagare. In un articolo presentato oggi al The Astrophysical Journal , descrivono la loro ricerca di un’intensa fonte di neutrini nella direzione degli eventi rilevati da ANITA. La collaborazione ha scoperto che questi neutrini non potevano provenire da un’intensa fonte puntiforme. Altre spiegazioni per i segnali anomali che potrebbero coinvolgere la fisica esotica devono quindi essere prese in considerazione.

neutrini
Usando i limiti stabiliti in questa ricerca (blu), i ricercatori di IceCube hanno limitato il numero di neutrini che potevano passare attraverso IceCube senza essere individuati (curva viola). Hanno scoperto che il limite del flusso corrispondente a questo numero (triangolo viola) era ben al di sotto di quanto necessario per spiegare le osservazioni dell’ANITA (esagono nero). Credito: collaborazione IceCube

Quando l’ANITA ha rilevato segnali che sembravano neutrini a energia estremamente elevata, i fisici erano perplessi. Questi neutrini  arrivavano ​​ad un angolo che suggeriva di aver appena viaggiato attraverso la maggior parte del pianeta, cosa che non si prevede per i neutrini con queste energie.

“Si dice comunemente che i neutrini siano particelle” inafferrabili “o” spettrali “a causa della loro straordinaria capacità di passare attraverso il materiale senza sfondare qualcosa”, afferma Alex Pizzuto dell’Università del Wisconsin-Madison, uno dei protagonisti di questo documento. “Ma a queste incredibili energie, i neutrini sono come i tori in un negozio di porcellane: diventano molto più probabili interagire con le particelle sulla Terra.”

Da allora molti scienziati hanno fornito potenziali spiegazioni per questi strani segnali e una possibilità è che una fonte di neutrini davvero intensa li abbia prodotti. Dopotutto, se una fonte ha prodotto un numero enorme di neutrini, è più plausibile che uno o due siano arrivati ​​ad ANITA.

Quindi Pizzuto e i suoi collaboratori hanno deciso di vedere se c’era un’intensa fonte di neutrini che lanciava un raggio di neutrini verso la Terra, una fonte puntuale. Per fare questo, i ricercatori hanno preso otto anni di dati IceCube e hanno cercato correlazioni tra le posizioni degli eventi ANITA e le posizioni degli eventi IceCube.

Poiché i ricercatori non potevano sapere da quanto tempo una potenziale fonte di punti avrebbe potuto emettere neutrini, le loro analisi hanno utilizzato tre approcci diversi e complementari attrezzati per trovare coincidenze su scale temporali diverse. Le loro analisi dovevano anche tenere conto dell’incertezza nelle direzioni degli eventi ANITA perché gli eventi non hanno posizioni definite sul cielo.

Dopo aver affrontato queste sfide, i ricercatori hanno simulato i neutrini che attraversano la Terra per vedere quanti neutrini incidenti sarebbero necessari affinché ANITA potesse vedere un evento, e poi hanno fatto lo stesso per IceCube.

In tutte e tre le ricerche, non hanno trovato prove di una fonte di neutrini nella direzione degli strani eventi ANITA. Ciò è particolarmente intrigante perché, a causa di un processo chiamato rigenerazione dei neutrini tau , gli eventi a energia estremamente elevata che non arrivano fino all’ANITA dovrebbero essere rilevabili da IceCube.

“Questo processo rende IceCube uno strumento straordinario per seguire le osservazioni ANITA, perché per ogni evento anomalo che ANITA rileva, IceCube avrebbe dovuto rilevare molti, molti altri – che, in questi casi, non abbiamo fatto”, afferma Anastasia Barbano del Università di Ginevra in Svizzera, un altro indizio su questo documento. “Ciò significa che possiamo escludere l’idea che questi eventi provengano da una fonte di punti intensi, perché le probabilità di ANITA di vedere un evento e IceCube che non vede nulla sono così sottili.”

Quando sono stati rilevati gli eventi ANITA, le principali ipotesi erano una spiegazione astrofisica (come un’intensa fonte di neutrini), un errore sistematico (come non tenere conto di qualcosa nel rivelatore) o fisica oltre il Modello Standard. “La nostra analisi ha escluso l’unica rimanente spiegazione astrofisica del Modello Standard degli eventi anomali ANITA”, afferma Pizzuto. “Quindi ora, se questi eventi sono reali e non solo a causa di stranezze nel rivelatore, allora potrebbero puntare alla fisica oltre il Modello Standard.”

Ibrahim Safa di UW-Madison, un altro esempio di questo articolo, afferma che mentre è stato un momento emozionante per i fisici che cercano di spiegare questi eventi, “sembra che dovremo aspettare la prossima generazione di esperimenti, che aumenterà esposizione e sensibilità, per comprendere chiaramente questa anomalia “.

IceCube

L’IceCube Neutrino Detector è un rivelatore di neutrini costruito presso una installazione scientifica nel Polo Sud. Allo stesso modo del suo predecessore, l’AMANDA, IceCube viene costruito immergendo nel ghiaccio antartico, ad una profondità che varia tra 1,45 km e 2,45 km, dei rivelatori a geometria sferica nei quali sono alloggiati dei fotomoltiplicatori (PMT). Tali sensori sono disposti in pozzi verticali di sessanta moduli ognuno. I pozzi vengono costruiti usando un “trapano” a forma di cono che spruzza acqua calda.

IceCube
Nei ghiacci del Polo Sud c’è una speciale trappola per neutrini ad alta energia. È l’IceCube Neutrino Observatory, una rete di rivelatori sferici all’interno di stringhe scavate nel ghiaccio antartico, a una profondità compresa tra i 1450 e i 2450 metri. L’annuncio dei primi neutrini astrofisici caduti in questa rete è del 2013. Ma la loro origine resta ancora un mistero.

Lo scopo del progetto consiste nella rivelazione di neutrini di alta energia. I neutrini non sono rivelabili direttamente. Tuttavia, il raro, seppur possibile, evento di collisione tra un neutrino ed un atomo che compone il ghiaccio antartico, produce dei sottoprodotti (altre particelle) che a loro volta vengono rivelate direttamente dai rivelatori dell’IceCube. Ciò permette, dopo una faticosa elaborazione dei dati acquisiti, di poter ricostruire i parametri cinematici dei neutrini incidenti. Le stime attuali prevedono l’individuazione di circa un migliaio di eventi di questo tipo al giorno in tutto il sito del rivelatore. A causa della elevata densità del ghiaccio, quasi tutti i prodotti della collisione iniziale saranno muoni. Pertanto l’esperimento è più sensibile al flusso di neutrini muonici. La maggior parte di questi neutrini sono generati dall’interazione dei raggi cosmici con i nuclei dell’atmosfera terrestre, ma una frazione non nota di questi, potrebbe avere origini astronomiche.

Per distinguere le due fonti si prendono in considerazioni analisi di natura statistica sulla direzione e l’angolo di entrata dei neutrini nel ghiaccio. Molto grossolanamente si può affermare che un neutrino proveniente dall’alto ha maggior probabilità di essere stato prodotto dalla penetrazione dello sciame di raggi cosmici nell’atmosfera; mentre, quei neutrini che provengono dal basso (dal fondo del mare) hanno una probabilità maggiore di avere una origine diversa.

Le fonti dei neutrini provenienti dal basso potrebbero essere buchi neri, gamma bursters, o resti di supernovae. I dati che IceCube raccoglierà potranno contribuire anche alla comprensione dell’origine dei raggi cosmici, della supersimmetria, delle particelle massicce debolmente interagenti (WIMP), e di altri aspetti della fisica nucleare e delle particelle.

INAF – Il telescopio per neutrini IceCube è costituito da un reticolo di oltre 5mila rivelatori delle dimensioni di un pallone, incorporati in un chilometro cubo di ghiaccio cristallino, a una profondità di un chilometro e mezzo sotto il Polo Sud geografico. IceCube non vede i neutrini direttamente, ma registra il bagliore fugace della radiazione Cherenkov – una striscia di luce blu – che si produce quando un neutrino impatta contro un’altra particella. Un evento peraltro rarissimo, considerando che ogni secondo una pioggia di miliardi e miliardi di neutrini attraversa la Terra come se manco esistesse, grazie al fatto che queste particelle non hanno carica elettrica né quasi massa. Analizzando circa 11000 interazioni di neutrini registrate nel corso di un anno, i ricercatori hanno studiato il flusso di neutrini muonici in funzione dell’energia posseduta e della direzione di provenienza, trovando che i neutrini con maggiore probabilità di interagire con la materia e quindi di essere fermati mentre attraversano la Terra, sono quelli di maggiore energia provenienti dal polo settentrionale, agli antipodi del rivelatore. La nuova misura della cosiddetta sezione d’urto del neutrino è in accordo con quanto previsto del Modello Standard della fisica delle particelle, confermandone ulteriormente la validità. Inoltre, seconde i ricercatori, questa misura apre la prospettiva di utilizzare i neutrini per fare una sorta di radiografia all’interno della Terra, per determinarne la composizione Servizio di Stefano Parisini, Media Inaf

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. “A search for IceCube events in the direction of ANITA neutrino candidates,” The IceCube Collaboration: M. G. Aartsen et al. Submitted to The Astrophysical Journal arxiv.org/abs/2001.01737
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