Emissione contemporanea di fotoni e neutrini

Crediti: Nasa/Fermi e Aurore Simonnet, Sonoma State University

Fare l’astronomo non è mai stato così eccitante. L’annuncio dato oggi dalla National Science Foundation a Washington segna la nascita di un nuovo modo di studiare il cielo. Per la prima volta si è visto un oggetto celeste emettere sia fotoni sia neutrini. I fotoni permettono di identificare la sorgente dei neutrini mentre i neutrini svelano i meccanismi fisici alla base dell’emissione dei fotoni e ci indicano la strada per risolvere un altro mistero cosmico.

Si chiama astronomia multimessaggero, appunto perché coniuga diversi messaggeri celesti.  Gli astronomi e i fisici da tempo lavoravano fianco a fianco, ma tutto è giunto a maturità nell’estate del 2017. Un mese dopo l’onda gravitazionale Gw 170817, prodotta dalla fusione di due stelle di neutroni, e studiata dagli astronomi di tutto il mondo, il 22 settembre è stata la volta di Ic-170922A, un neutrino molto energetico rivelato dallo strumento IceCube, che opera immerso nei ghiacci dell’Antartide.

L’energia del neutrino era così alta da fare escludere ogni origine “locale”. Doveva essere di provenienza cosmica. Dal momento che i neutrini viaggiano in linea retta, come i fotoni, IceCube ha lanciato una allerta neutrino chiedendo a tutti i telescopi disponibili di osservare la regione, nella costellazione di Orione, dalla quale era stato visto arrivare il neutrino.  L’allerta era principalmente rivolta ai telescopi gamma che sono operativi in orbita ed al suolo perché i processi fisici che producono neutrini di alta energia, attraverso interazione di protoni molti energetici, devono produrre anche raggi gamma di alta energia. Pur avendo già risposto inutilmente ad altre allerte neutrini, gli astrofisici hanno disciplinatamente attivato i protocolli previsti perché la fortuna aiuta solo che è pronto ad acchiapparla.

Il telescopio Fermi, una missione per studiare il cielo gamma della Nasa alla quale l’Italia partecipa in modo importante attraverso Asi, Inaf e Infn, ha segnalato subito la presenza di una sorgente gamma che appariva più brillante del solito. Si trattava di Txs 0506+056 (i numeri si riferiscono  alle coordinate celesti della sorgente), una galassia attiva già nota, che emette raggi gamma in virtù della presenza di un mostruoso buco nero centrale.

L’attività aumentata della galassia è stata notata anche dal satellite Agile, una missione tutta italiana nata dalla collaborazione di Asi, Inaf e Infn sempre per studiare i raggi gamma. Poi è entrato in azione lo strumento Magic alle Canarie, due enormi specchi capaci di cogliere la luce emessa dalla cascata di particelle prodotte dei fotoni gamma quando entrano nell’atmosfera. Magic ha rivelato fotoni gamma mille volte più energetici di quelli di Fermi.   Una conferma importante che la galassia era chiaramente in uno stato eccitato a seguito di qualche evento accaduto nelle vicinanze del buco nero che aveva fatto aumentare la produzione di energia. Sicuramente erano stati accelerati protoni che poi, scontrandosi , avevano dato origine al flusso di raggi gamma e neutrini, uno solo dei quali è stato rivelato perché stiamo parlando delle particelle più schive dell’Universo che interagiscono pochissimo con la materia. La misura della distanza di Txs 0506+056 ci dice che tutto era avvenuto 4,5 miliardi di anni fa, quando la terra (insieme a tutto il sistema solare) si stavano ancora formando.

Grazie alla coincidenza spaziale tra la direzione di arrivo del neutrino Ic-170922A e la galassia eccitata Txs 0506+056, il 22 settembre 2017 è nata una nuova accoppiata nell’astronomia multimessaggero: neutrini e fotoni. Gli astrofisici italiani, da sempre attivissimi nell’astrofisica delle alte energie, hanno giocato un ruolo di primo piano in questa scoperta che rappresenta anche un passo avanti nella comprensione delle sorgenti dei raggi cosmici, particelle accelerate che studiamo da 100 anni senza, però, riuscire a capire da dove vengano.

Articolo originariamente pubblicato sul Sole 24 Ore

Guarda l’intervista a Patrizia Caraveo su MediaInaf Tv:

Il fascino discreto dei sopravvissuti

Confronto tra i due meccanismi di frammentazione dei quark, quello favorito e quello sfavorito. Crediti: Ifj Pan

Dai dati raccolti dal rivelatore Lhcb del Large Hadron Collider, sembra che le particelle conosciute come mesoni charm e le loro controparti di antimateria non siano prodotte in proporzioni perfettamente uguali. I fisici di Cracovia hanno avanzato una spiegazione per questo fenomeno e presentato delle previsioni, in accordo con il loro modello, che potrebbero avere conseguenze particolarmente interessanti per l’astronomia dei neutrini ad alta energia.

Nei primi momenti successivi al Big Bang, l’Universo era pieno di particelle e antiparticelle nelle stesse proporzioni numeriche. Raffreddandosi, materia e antimateria iniziarono ad incontrarsi e annichilarsi, trasformandosi in energia (radiazione). Ma come ha fatto una parte di questa materia, dalla quale si è evoluto l’Universo attuale, a sopravvivere all’annichilazione? Per fare luce su questo grande mistero della scienza moderna, i fisici stanno cercando di comprendere nel dettaglio tutti i meccanismi responsabili delle più piccole sproporzioni nella produzione di particelle e antiparticelle. In questo contesto, un gruppo di scienziati dell’Istituto di fisica nucleare dell’Accademia polacca delle scienze (Ifj Pan) di Cracovia, associato all’esperimento Lhcb al Large Hadron Collider di Ginevra, ha recentemente esaminato uno di questi processi: l’asimmetria che appare alla nascita dei mesoni e antimesoni charm. È interessante notare che le conclusioni della loro analisi potrebbero avere ripercussioni pratiche molto tangibili.

In accordo con il modello standard, i quark sono i più importanti componenti indivisibili che costituiscono la materia. Si conoscono sei sapori di quark: up (u), down (d), strange (s), charm (c), bottom (b) e top (t); ogni sapore ha anche la sua controparte di antimateria (spesso contrassegnata con un trattino sopra la lettera, letto come “barra”). I quark vengono generalmente formati a coppie quark-antiquark. Sono particelle estremamente socievoli: quasi immediatamente dopo essersi create si legano in adroni, a gruppi di due, tre e talvolta anche più quark o antiquark, legate insieme dai gluoni (particelle che trasferiscono le interazioni nucleari forti). Il processo di combinazione di quark/antiquark in particelle composte più complesse è chiamato adronizzazione.

Gli adroni instabili costruiti da coppie di quark-antiquark sono chiamati mesoni. Se uno dei quark di un mesone è un quark charm, la particella è chiamata mesone charm ed è indicata dalla lettera D (o, per l’antiquark charm, D con una barra sopra). Una coppia costituita da un quark charm e un antiquark down è un mesone D+; uno composto da un antiquark charm e un quark down è un mesone D-.

Nelle misurazioni condotte nell’ultimo quarto di secolo, inclusi i recenti esperimenti a Lhcb, è stata osservata un’interessante asimmetria. Si è scoperto che i mesoni D+ e D- non sempre sono prodotti esattamente nelle stesse proporzioni. Nel caso dei processi osservati a Lhcb, generati da collisioni di fasci di protoni ad alta energia, questa asimmetria si è dimostrata essere piccola, inferiore all’1 per cento.

«I quark charm si formano principalmente durante le collisioni di gluoni nelle cosiddette interazioni forti, e dopo la nascita si adronizzano in mesoni D. Abbiamo studiato un altro meccanismo di formazione del mesone, conosciuto come frammentazione sfavorita del quark. In questo processo, un mesone charm viene creato dalla adronizzazione di un quark o antiquark leggero (up, down, o strange). In passato, si è riusciti a spiegare l’asimmetria tra kaoni e antikaoni, cioè mesoni K+ e K-, attraverso le sfumature di questo meccanismo. Tuttavia, fino ad oggi non era mai stata presa in considerazione la possibilità che un simile meccanismo potesse spiegare l’asimmetria tra i mesoni, relativamente massicci, D+ e D-», afferma Rafal Maciula (Ifj Pan), primo autore della pubblicazione sulla rivista Physical Review D.

Il rilevatore Lhcb misura principalmente le particelle che divergono, rispetto al punto di collisione dei protoni, a grandi angoli rispetto alla direzione originale di movimento dei protoni stessi. Secondo i fisici di Cracovia, l’asimmetria nella produzione di mesoni D dovrebbe essere molto maggiore se si prendono in considerazione le particelle prodotte lungo la direzione dei fasci dei protoni incidenti. Ciò significa che la sproporzione attualmente osservata potrebbe essere solo la punta di un iceberg. I calcoli suggeriscono che nel caso di collisioni “in avanti”, la frammentazione sfavorita (d, u, s > D) può essere paragonabile alla frammentazione convenzionale (c > D). Di conseguenza, l’asimmetria tra i mesoni D+ e D- può raggiungere anche un’alta percentuale e con energie di collisione inferiori rispetto a quelle che si verificano attualmente nell’Lhc.

IceCube Lab al tramonto, nel 2017. Crediti: Martin Wolf, IceCube/NSF.

La ricerca dei fisici dell’Ifj Pan potrebbe avere conseguenze di vasta portata per gli osservatori di neutrini, come l’Osservatorio IceCube in Antartide. Questo rivelatore, in cui collaborano 49 istituti scientifici di 12 paesi, controlla un chilometro cubo di ghiaccio, situato a circa un chilometro al di sotto della superficie, utilizzando migliaia di fotomoltiplicatori. I fotomoltiplicatori tracciano sottili bagliori di luce, generati dall’interazione delle particelle che formano il ghiaccio con i neutrini, particelle elementari che interagiscono molto debolmente con la materia ordinaria. IceCube registra diverse centinaia di neutrini al giorno. È noto che gran parte di essi sono creati nell’atmosfera terrestre in processi prodotti dai raggi cosmici e che coinvolgono protoni. Altri neutrini possono provenire, per esempio, dal nucleo della Terra o dal Sole. Si presume, tuttavia, che i neutrini con energie significative abbiano raggiunto il rivelatore direttamente da sorgenti cosmiche distanti, quali supernove o fusione di buchi neri o stelle di neutroni.

«Quando si interpretano i dati del rilevatore IceCube, viene presa in considerazione la produzione di neutrini nell’atmosfera terrestre causata dalle normali radiazioni cosmiche, comprese le collisioni che coinvolgono i protoni. Il fatto è che alcuni di questi processi, con conseguente formazione di neutrini ad alta energia, si svolgono con la partecipazione di mesoni D. Nel frattempo, noi mostriamo che il meccanismo di produzione di questi mesoni nell’atmosfera può essere molto più efficiente di quanto si pensasse in precedenza. Così, se le nostre ipotesi saranno confermate, alcuni dei neutrini altamente energetici registrati, ora considerati di origine cosmica, potrebbero avere questa origine ed essere realmente apparsi proprio sopra le nostre teste, alterando il quadro reale degli eventi originati nelle profondità dello spazio», spiega Antoni Szczurek (Ifj Pan).

Quando solo la punta dell’iceberg è visibile, ogni deduzione su ciò che potrebbe essere il resto dell’iceberg è più che rischiosa. Attualmente, il modello proposto dai fisici di Cracovia è solo un’ipotesi. Forse descrive pienamente il meccanismo che si verifica nella realtà ma può anche darsi che siano altri i processi responsabili dell’asimmetria nella produzione di mesoni D, parzialmente o completamente.

«Fortunatamente, nessun’altra proposta prevede un così evidente aumento dell’asimmetria nella produzione di mesoni D a basse energie di collisione, quindi per verificare la nostra ipotesi sarebbe sufficiente, nell’acceleratore Lhc, dirigere un singolo raggio su un bersaglio fermo, riducendo in tal modo significativamente l’energia di collisione. Il nostro modello soddisfa criteri scientifici certi: non solo spiega le osservazioni precedenti, ma soprattutto può essere rapidamente verificato. Inoltre, la verifica può essere fatta a basso costo!», conclude Szczurek.

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Trentatré neutrini entrarono in Antares

Rappresentazione artistica del rivelatore di neutrini Antares. Crediti: Antares collaboration

Quasi inafferrabili, i neutrini sono – un po’ come le onde gravitazionali – “messaggeri cosmici” complementari ai fotoni. E, proprio in quanto tali, ambitissimi dagli astrofisici: grazie a essi è possibile ottenere informazioni sui fenomeni fisici dell’universo che nessun “normale” telescopio, per quanto potente, potrebbe mai raccogliere. Ma catturarli è un’impresa: servono, appunto, “telescopi” assai speciali. Telescopi come IceCube: una serie di rivelatori situati nelle profondità dei ghiacci antartico. Alcuni anni fa, gli scienziati di IceCube annunciarono l’osservazione di un eccesso di eventi rispetto al background atmosferico atteso. Era la prima rilevazione di un flusso diffuso di neutrini cosmici. Una scoperta che però attendeva conferma da parte di un altro osservatorio. Una conferma arrivata ora da Antares (acronimo di Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental Research), un telescopio per neutrini sottomarino non lontano da noi: si trova nel Mediterraneo, al largo delle coste francesi, a oltre duemila metri di profondità.

Fra gli autori dell’articolo scientifico che illustra il risultato, pubblicato a metà gennaio su The Astrophysical Journal, c’è anche l’italiano Luigi Antonio Fusco, fino allo scorso dicembre ricercatore postdoc all’Infn e all’Università di Bologna e attualmente al Cnrs francese. Media Inaf lo ha intervistato.

Antares, un telescopio sui generis, dicevamo. Può tracciarcene un rapido identikit? Dicevamo che si trova sott’acqua…

«Esatto, è un rivelatore composto da 12 “linee” la cui base sta 2475 metri di profondità. Le linee sono sostanzialmente dei cavi, tenuti verticali ed in tensione da delle boe sottomarine. Ciascuna linea è lunga 450 metri, e ospita 25 triplette di moduli ottici: sfere di vetro resistente alla pressione entro cui è sistemato un fotomoltiplicatore da 10 pollici. In totale, il rivelatore occupa un volume di 0.01 km cubi (pari dunque a 10 milioni di tonnellate di acqua), ma può rivelare eventi avvenuti in un volume di acqua molto maggiore: i muoni possono viaggiare diversi km prima di arrestarsi e la luce che essi producono si propaga nel mezzo trasparente per centinaia di metri».

La strategia che avete utilizzato per isolare i neutrini cosmici è rappresentata dal diagramma qui sotto. Ce la può illustrare?

«Nello schema sono mostrati in verde i raggi cosmici primari, che interagiscono nell’atmosfera terrestre, in giallo i muoni, in rosso i neutrini. La maggior parte degli eventi che raggiungono le profondità del rivelatore sono muoni prodotti a seguito delle interazioni dei raggi cosmici nell’alta atmosfera. Per ridurre il fondo prodotto da queste particelle altamente penetranti, si osservano eventi provenienti “dal basso”: vale a dire, indotti da particelle che hanno attraversato tutta la Terra –  cosa possibile solo per i neutrini. Questi neutrini sono ancora per la maggior parte di origine “terrestre”, ovvero atmosferica. Per poter discernere una componente cosmica, prodotta presso oggetti altamente energetici come nuclei galattici attivi, o gamma ray bursts, occorre selezionare gli eventi di energia più elevata nel nostro campione di dati».

E quel ricciolino bianco?

Diagramma dei possibili percorsi dei neutrini. Crediti: Antares collaboration

«Quello non è prettamente inerente con l’analisi in questione: si tratta di una possibile particella massiva debolmente interagente (Wimp) di materia oscura. I telescopi di neutrini possono infatti agire anche da rivelatori indiretti di materia oscura: interagendo solo gravitazionalmente infatti, questa può accumularsi presso oggetti molto massivi, come il centro della Terra, del Sole, o della Via Lattea. Se poi queste particelle di materia oscura interagiscono tra di loro annichilendo, possono produrre neutrini che possono essere rivelati come un eccesso di eventi in direzione di questi oggetti massicci».

Torniamo al vostro articolo: cosa siete riusciti a concludere?

«L’articolo presenta il risultato di una ricerca di neutrini di origine non terrestre – ovvero non prodotti dalle interazioni dei raggi cosmici nell’alta atmosfera – utilizzando un campione di nove anni di dati raccolti dal telescopio Antares. In questa ricerca si sono utilizzati eventi dovuti ad interazioni di neutrini di ogni tipo. I neutrini muonici producono una traccia la cui direzione può essere misurata con relativa precisione, ma la stima dell’energia è approssimata. I neutrini elettronici (principalmente) producono “sciami”, la cui direzione è misurata male ma l’energia stimata piuttosto bene. Dopo aver applicato una selezione sugli eventi rivelati in modo da ridurre i vari fondi, abbiamo osservato nei dati 33 eventi di più alta energia quando ce ne saremmo dovuti attendere 24».

E questo cosa comporta?

«Pur se minimamente significativa, questa è una prima indicazione della presenza di neutrini cosmici da parte di un rivelatore che non sia IceCube. Le proprietà spettrali che abbiamo ricavato ci indicano anche che quello che stiamo probabilmente osservando è compatibile con il segnale rivelato nei dati di IceCube».

Ecco, a questo proposito: IceCube e rivelatori come Antares, fanno la stessa cosa?

«L’obiettivo dei telescopi dei neutrini è il medesimo: rivelare neutrini di origine cosmica e studiarne le proprietà, per comprendere meglio la fisica (e l’astrofisica) dei raggi cosmici. IceCube è il più grande rivelatore di neutrini al mondo, si trova al Polo Sud geografico, e occupa un volume di circa 1 km cubo. Tramite i dati raccolti con IceCube è stato possibile rivelare un primo segnale di neutrini di altissima energia (al di sopra di qualche decina di TeV) di origine cosmica. Nonostante ormai questo segnale sia stato osservato con elevata significatività, non è stato ancora possibile riconoscerne le sorgenti».

E nel Mediterraneo?

«Un telescopio di neutrini nel mare Mediterraneo rappresenta un punto di osservazione complementare: per poter rivelare correttamente la direzione di provenienza degli eventi si osservano muoni provenienti dal basso: i “cieli” (sotto) due rivelatori in emisferi differenti sono diversi, e in particolare un telescopio nell’emisfero Nord può osservare il cielo Sud, che è estremamente ricco, specie per quanto riguarda sorgenti galattiche come i resti di supernova, principali candidati ad essere sorgenti di neutrini, o la regione del centro e del piano galattico».

Oltre ad Antares, ci sono Nemo e Km3NeT. Cosa li distingue?

«Nemo è stato un progetto prototipale dell’Infn per la realizzazione di un telescopio di neutrini al largo delle coste siciliane, a una profondità di 3500 metri. Lo scopo era quello di avere una tecnologia a più basso costo di quella necessaria per Antares. Quanto a Km3NeT, è la collaborazione europea figlia dell’esperienza di Antares e delle attività di sviluppo di Nemo. La costruzione del telescopio Km3NeT è attualmente in corso. Grazie all’utilizzo di nuove tecnologie realizzative sarà il rivelatore di neutrini più performante al mondo. Quando Km3NeT sorpasserà in sensibilità Antares, questo sarà disattivato».

Luigi Antonio Fusco, ricercatore postdoc al Cnrs francese e membro della collaborazione Antares

Un’altra differenza fra IceCube e i telescopi nel Mediterraneo è che – pur sfruttando tutti l’effetto Cherenkov – il primo usa come mezzo rivelatore il ghiaccio, i secondi l’acqua. Quale dei due permette risultati migliori?

«La differenza principale tra acqua e ghiaccio è che l’acqua è un mezzo sostanzialmente omogeneo, mentre il ghiaccio (antartico) è formato per stratificazione di precipitazioni nevose nel corso di milioni di anni: a causa di ciò intrappolate nei ghiacci ci sono impurità (polvere, bolle d’aria) che costituiscono centri di diffusione per la luce e non permettono di rivelare in maniera così precisa la direzione di provenienza di questi fotoni Cherenkov. In generale però il ghiaccio è più trasparente dell’acqua e quindi permette di rivelare la luce su distanze maggiori. Inoltre il ghiaccio non presenta alcuna fonte esterna di fotoni, mentre nel sale disciolto in acqua è presente l’isotopo 40 del potassio, che è radioattivo e produce luce Cherenkov. In aggiunta, nel mare sono presenti organismi viventi bioluminescenti e anche questi producono luce rivelabile tramite i fotomoltiplicatori. Opportuni algoritmi di selezione dei segnali permettono di pulire sufficientemente bene i dati raccolti da questo fondo spurio».

L’effetto osservabile, se ho ben capito, è quello di un lampo di luce blu. È percepibile anche a occhio nudo? Voglio dire, se m’immergessi a fare una nuotata fra i fotomoltiplicatori di Antares, vedrei anch’io qualche bagliore?

«È un bagliore bluastro (e nel vicino ultravioletto) estremamente debole e di brevissima durata –  e prodotto da particelle che viaggiano alla velocità della luce. Per rivelarlo occorre amplificare fortemente il segnale luminoso grazie appunto ai fotomoltiplicatori, e bisogna farlo in maniera precisa e veloce (con precisioni sui tempi di arrivo dell’ordine dei nanosecondi, per poter ricostruire in maniera accurata gli eventi). Inoltre, per vedere la luce prodotta dall’interazione di neutrini occorrerebbe andare almeno un chilometro in profondità, e questo non è consigliabile per una nuotata».


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Se l’antenato comune è un buco nero

Schema dell’emissione “multi-messenger” a partire da un’enorme quantità di raggi cosmici accelerati da potenti getti di un buco nero supermassiccio. Credit: Kanoko Horio

Fino a ieri ad accomunarle era anzitutto l’energia spaventosa che le caratterizza tutt’e tre. Ma ora comincia a farsi strada l’ipotesi che la loro origine – sulla quale grava uno fra i più grandi punti interrogativi della fisica particellare – potrebbe essere una soltanto, un super acceleratore naturale assai più potente di quello del Cern: il getto relativistico emesso dai buchi neri supermassicci. I tre tipi di particelle di cui parliamo sono, in ordine d’energia crescente, i raggi gamma ad alta energia, i neutrini molto energetici e, infine, i raggi cosmici ultra energetici. E la catena di processi fisici che conduce alla produzione dei tre “messaggeri cosmici” – descritta dal primo modello astrofisico di questo genere basato su calcoli numerici dettagliati – è stata pubblicata lunedì scorso su Nature Physics in un articolo firmato da Ke Fang e Kohta Murase, ricercatrice postdoc alla University of Maryland la prima e professore alla Penn State University il secondo.

Fotoni gamma, neutrini e raggi cosmici, dicevamo. I termini inglesi utilizzati per indicare quanto siano energetici quelli considerati nello studio rende ancor meglio la progressione: high, very, ultra. Nella scala dell’energia elettromagnetica, i fotoni gamma sono in cima (il telescopio spaziale Fermi ne ha osservati a energie oltre un miliardo di volte superiori a quella di un fotone di luce visibile). Di neutrini ad altissima energia, l’osservatorio IceCube, in Antartide, ne ha rilevati a più di un milione di mega-elettronvolt. Quanto ai raggi cosmici ultra energetici, sono le particelle più energetiche dell’universo – ognuno di essi trasporta un’energia che nemmeno il Large Hadron Collider, il più potente acceleratore di particelle al mondo, è in grado di produrre. Ma se l’energia delle singole particelle considerate individualmente, osservate da rilevatori a terra e nello spazio, spazia su oltre dieci ordini di grandezza, nel complesso i tre tipi di particelle mostrano, al contrario, quantità sorprendentemente simili di ciò che i fisici chiamano energy generation rates.

I due autori dello studio, Ke Fang (sx) e Kohta Murase (dx). Fonte: astro.uchicago.edu e psu.edu

«Il fatto che le intensità misurate per i neutrini ad altissima energia, per i raggi cosmici ad altissima energia e per i raggi gamma ad alta energia siano più o meno paragonabili», dice Murase, «ci hanno indotto a chiederci se queste particelle estremamente energetiche non siano in qualche modo collegate dal punto di vista fisico. Il nuovo modello suggerisce che i neutrini energetici e i raggi gamma ad alta energia vengano prodotti naturalmente – a seguito di collisioni fra particelle – come particelle figlie dei raggi cosmici, e che quindi possano ereditare un bilancio energetico paragonabile a quello delle loro particelle madri. Il fatto che le quantità d’energia dei tre messaggeri cosmici siano paragonabili potrebbe dunque non essere una semplice coincidenza».

Già. Ma se neutrini e raggi gamma ad alta energia sono “figli” di raggi cosmici ultra energetici, questi ultimi da dove arrivano? Chi c’è all’origine di tutta questa energia? Secondo Fang e Murase, il sospetto numero uno sono i getti relativistici emessi dai nuclei galattici attivi, buchi neri supermassicci dai cui dintorni vengono proiettati – appunto – raggi cosmici nello spazio a velocità prossime a quella della luce.

«Il nostro studio dimostra che raggi cosmici provenienti dai nuclei galattici attivi e dagli ambienti circostanti – come ammassi e gruppi di galassie – possono spiegare lo spettro e la composizione dei raggi cosmici ad altissima energia, così come alcuni dei fenomeni altrimenti inspiegabili scoperti da esperimenti a terra», osserva Fang. «Al tempo stesso, lo spettro dei neutrini ad altissima energia sopra i cento milioni di mega-elettronvolts può essere spiegato da collisioni di particelle tra i raggi cosmici e il gas in ammassi e gruppi di galassie. Inoltre, l’emissione di raggi gamma proveniente dagli ammassi di galassie e dallo spazio intergalattico corrisponde alla porzione ancora non spiegata del fondo diffuso di raggi gamma ad alta energia che non è associato a un particolare tipo di nucleo galattico attivo».

Insomma un’ipotesi, questa della produzione a cascata di particelle ad altissima energia a partire dai getti dei nuclei galattici attivi, apparentemente in grado di fornire un modello unificato per dar conto dell’origine dei tre messaggeri cosmici. «Tuttavia, ci sono anche altre possibilità», mette in guardia lo stesso Murase, «e molti nuovi enigmi restano senza spiegazione, compresi i dati su neutrini da dieci milioni di mega-elettronvolt registrati dall’osservatorio IceCube in Antartide. Pertanto, ulteriori studi basati su un approccio multi-messenger – combinando la teoria con i dati di tutt’e tre i messaggeri – saranno necessari per mettere alla prova il nostro modello».

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Agile e IceCube: un neutrino per due?

Mappa in falsi colori dei fotoni gamma osservati da Agile nella direzione di arrivo del neutrino rivelato da IceCube il 31 luglio 2016. Il cerchio nero delimita la zona di cielo all’interno della quale è contenuta con più probabilità la sorgente astrofisica del neutrino, mentre quello bianco racchiude la posizione più probabile della sorgente gamma transiente (AGL J1418+0008) osservata da Agile qualche ora prima dell’evento. Crediti: F. Lucarelli et al. 2017

Era il 31 di luglio del 2016 quando IceCube, il cacciatore di neutrini del Polo Sud, osservava l’evento soprannominato IceCube-160731. Il telescopio spaziale Agile ha dunque puntato i suoi occhi ad alte energie sulla regione di provenienza del neutrino per cercarne una controparte. Le osservazioni sembrano aver individuato un candidato per un segnale precursore, visto da Agile nelle ore precedenti all’arrivo di IceCube-160731. I risultati dell’analisi sono contenuti in un articolo pubblicato di recente su The Astrophysical Journal.

La ricerca delle controparti elettromagnetiche dei neutrini di altissima energia osservati dall’esperimento IceCube è uno dei temi più attuali dell’astrofisica delle particelle e delle alte energie. Finora, non sono state rivelate con sufficiente significatività né sorgenti puntiformi di neutrini né ci sono chiare associazioni degli eventi più energetici con sorgenti elettromagnetiche note. L’identificazione di una chiara sorgente di neutrini potrà fornire la prova inequivocabile di quali sono i siti in cui stanno avvenendo i processi di accelerazione di protoni e ioni ad altissime energie, contribuendo così a risolvere anche l’annoso problema dell’origine dei raggi cosmici. I nuclei galattici attivi di tipo blazar sono tra le sorgenti astrofisiche più accreditate per spiegare l’origine dei neutrini osservati. I processi astrofisici che portano all’emissione di neutrini di altissima energia comportano anche l’emissione di fotoni gamma. L’osservazione di questa emissione, correlata temporalmente e/o spazialmente con il neutrino osservato, può indicare la presenza di una sorgente elettromagnetica associata alla sorgente di neutrini e favorirne la sua identificazione.

Fabrizio Lucarelli, ricercatore dello Space Science Data Center dell’Asi e primo autore dello studio. Crediti: Ssdc-Asi

«La missione italiana Agile, dedicata all’osservazione del cielo gamma, è fortemente impegnata nella ricerca di controparti gamma di onde gravitazionali e di neutrini», ha spiegato Fabrizio Lucarelli dell’Ssdc dell’Asi e dell’Inaf di Roma, primo autore dell’articolo. «Grazie al suo grande campo di vista e alla rapidità nel processare e analizzare i dati acquisiti, Agile è uno strumento particolarmente indicato per la ricerca e rivelazione di sorgenti gamma transienti associate a questo tipo di eventi».

«Il segnale osservato da Agile, della durata di circa un giorno e mezzo, è consistente con la posizione di arrivo del neutrino ricostruita da IceCube e ha il suo picco di intensità circa un giorno prima dell’evento», ha aggiunto Lucarelli. «In questa zona di cielo non ci sono possibili sorgenti note di fotoni gamma che possano essere associate all’emissione di neutrini, né sono stati registrati altri eventi transienti analizzando tutti i dati raccolti nei dieci anni di vita del satellite attorno alla posizione di IceCube-160731».

Utilizzando i cataloghi d’archivio multi-banda accessibili con il tool Ssdc SkyExplorer, i ricercatori hanno trovato anche una possibile controparte elettromagnetica con emissione nella banda radio, ottica e dei raggi X all’interno della regione di cielo che delimita la direzione di origine del neutrino IceCube-160731. Tale sorgente mostra delle caratteristiche elettromagnetiche tipiche dei Blazar di tipo Hbl (“High energy peaked BL Lac”), considerati tra i candidati più probabili dei neutrini di altissima energia nel mirino di IceCube. Ulteriori osservazioni nei raggi X effettuate con il satellite Swift della Nasa, non hanno confermato l’appartenenza di questo possibile candidato alla categoria dei Blazar. La sorgente dell’emissione del neutrino e dei fotoni gamma rimane quindi ancora non identificata.

«Di recente Agile ha identificato un’altra emissione gamma transiente al di sopra dei 100 GeV consistente con la posizione di un nuovo evento IceCube, IceCube-170922, e ne ha dato annuncio alla comunità con un Astronomer’s Telegram», ha continuato Lucarelli. «Le rapide osservazioni di Agile, insieme ad altre osservazioni nella banda gamma e in altre lunghezze d’onda, sono fondamentali per poter identificare con successo la sorgente di questi neutrini cosmici di altissima energia».

«È una ricerca difficile», ha commentato Marco Tavani dell’Inaf di Roma, principal investigator della missione, «ma che deve essere fatta esplorando tutte le possibilità. Siamo ora a un livello ancora iniziale nel preparare la strada all’astronomia dei neutrini del futuro: i prossimi mesi/anni saranno decisivi». Grazie ai dati raccolti da Agile durante i suoi 10 anni di missione, i ricercatori del team potranno approfondire la ricerca di eventuali transienti gamma associati con la posizione dei neutrini di altissima energia osservati finora da IceCube. La rivelazione e l’identificazione di una chiara sorgente per questo tipo di neutrini potrebbe avere le ore contate.

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