Da dove vengono i neutrini di alta energia?

Il radiotelescopio russo Ratan-600 sta aiutando a comprendere l’origine dei neutrini cosmici. Crediti: Daria Sokol / Mipt Press Office

I neutrini sono particelle misteriose, così piccole che i ricercatori non conoscono nemmeno la loro massa. Passano senza fatica attraverso oggetti, persone e persino interi pianeti. Anche adesso, che state leggendo, probabilmente siete attraversati da miliardi di neutrini, che non vi fanno assolutamente nulla. Il fatto che interagiscano così difficilmente con la materia rende molto difficile la loro cattura. Gli esperimenti che cercano di rilevarli sono situati sotto le montagne o tra i ghiacci, perché le rocce e il ghiaccio bloccano tutte le altre particelle, lasciando passare solo loro.

Gli astrofisici russi si sono concentrati sulle origini dei neutrini ad altissima energia, di 200 TeV o anche di più, che vengono creati quando i protoni sono accelerati quasi alla velocità della luce. Il team ha confrontato le misurazioni effettuate da IceCube, sepolto nel ghiaccio antartico, con un gran numero di osservazioni radio, scoprendo che queste particelle così sfuggenti emergono durante le esplosioni a radiofrequenza che avvengono nel centro dei quasar. I quasar sono galassie attive, nel cui centro vi è un enorme buco nero che divora la materia circostante, posta su un disco in rapida rotazione attorno al buco nero stesso, in prossimità del quale vengono emessi getti estremamente potenti di gas ultra caldo.

IceCube è un rivelatore di neutrini costruito presso una installazione scientifica nel Polo Sud. Crediti: Wikimedia Commons

«I nostri risultati indicano che i neutrini ad alta energia si originano nei nuclei galattici attivi, in particolare durante l’espulsione dei getti radio. Poiché sia ​​i neutrini che le onde radio viaggiano alla velocità della luce, raggiungono contemporaneamente la Terra», spiega il primo autore dello studio, Alexander Plavin, del Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences (Ras) e del Moscow Institute of Physics and Technology (Mipt).

Dopo aver analizzato circa 50 eventi rilevati da IceCube, il team ha mostrato che queste particelle provengono da quasar luminosi osservati da una rete di radiotelescopi in tutto il pianeta operante con le tecnica di interferometria a lunghissima base, o Vlbi. Questo metodo consente di “assemblare” un telescopio virtuale gigante sfruttando molte antenne posizionate in tutto il mondo. Tra gli elementi più grandi di questa rete c’è il radiotelescopio di 100 metri di Effelsberg.

Il team ha inoltre ipotizzato che i neutrini siano emersi durante l’espulsione dei getti radio. Per testare questa idea, i fisici hanno studiato i dati del radiotelescopio russo Ratan-600, nel Caucaso settentrionale. L’ipotesi si è dimostrata altamente plausibile, nonostante il presupposto abbastanza comune che i neutrini ad alta energia dovrebbero originarsi insieme ai raggi gamma.

Il Ratan-600 è un radiotelescopio composto da 895 riflettori disposti su un cerchio di 576 metri di diametro che possono puntare sul ricettore conico centrale o su altri 5 ricettori cilindrici; a tutt’oggi è il radiotelescopio di massimo diametro. Può operare sulle frequenze comprese tra 610 MHz e 30 GHz con una risoluzione angolare di 2 arcosecondi. Crediti: Wikimedia Commons

«Precedenti ricerche sulle origini dei neutrini ad alta energia avevano cercato la loro sorgente sotto i riflettori. Pensavamo di testare un’idea non convenzionale, con poche speranze di successo. Ma siamo stati fortunati», dice Yuri Kovalev dell’Istituto Lebedev, del Mipt e del Max Planck Institute for Radio Astronomy. «I dati provenienti da anni di osservazioni su array di radiotelescopi internazionali hanno permesso questa scoperta molto eccitante, e la banda radio si è rivelata cruciale nel definire l’origine dei neutrini».

«All’inizio i risultati sembravano troppo belli per essere veri, ma dopo aver accuratamente rianalizzato i dati, abbiamo confermato che gli eventi di neutrini erano chiaramente associati ai segnali raccolti dai radiotelescopi», racconta Sergey Troitsky dell’Institute for Nuclear Research del Ras. «Abbiamo verificato l’associazione sulla base dei dati di osservazioni raccolte in anni del telescopio Ratan dello Special Astrophysical Observatory Ras e la probabilità che i risultati siano casuali è solo dello 0.2 per cento. Si tratta di un grande  successo per l’astrofisica dei neutrini e la nostra scoperta richiede ora spiegazioni teoriche».

Il team intende ricontrollare i risultati e capire il meccanismo alla base delle origini dei neutrini nei quasar usando i dati di Baikal-Gvd, un rivelatore subacqueo di neutrini nel lago Baikal, che è nelle fasi finali di costruzione e già parzialmente operativo. I cosiddetti rivelatori Cherenkov, usati per individuare i neutrini – compresi IceCube e Baikal-Gvd – si basano su una grande massa di acqua o ghiaccio come mezzo per massimizzare il numero di eventi e prevenire l’accensione accidentale dei sensori. Naturalmente, le continue osservazioni di galassie con radiotelescopi saranno altrettanto cruciali.

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