La collaborazione scientifica

Cosa c’entra un neutrino, una delle particelle piu’ sfuggenti conosciute, con un capodoglio, uno dei mammiferi piu’ grossi del pianeta? Assolutamente niente direte voi, e invece sbagliate.

Senza giocare agli indovinelli, vi vorrei raccontare di una ricerca, a mio avviso molto importante, nata con uno scopo e che in corso d’opera ne ha trovato uno ulteriore altrettanto interessante.

Come sapete, lo studio dei neutrini cosmici e’ molto importante perche’ attraverso la misura del numero di queste particelle, e’ possibile individuare e studiare sorgenti astronomiche come stelle di neutroni, buchi neri, pulsar, ecc. Il problema di queste particelle e’ che, come si dice in fisica, hanno una “sezione d’urto” molto piccola, cioe’ hanno una probabilita’ di interagire con la materia estremamente bassa. Per poter osservare i neutrini e’ prima di tutto necessario eliminare le altre tantissime particelle che arrivano dal cosmo e che rendono la loro osservazione impossibile dal momento che questi segnali sarebbero completamente sommersi in mezzo a tanti altri. A questo punto, per contare i neutrini si devono sfruttare le reazioni poco probabili che queste particelle hanno con alcuni mezzi. Una delle tecniche maggiormente utilizzate e’ quella del rivelatore Cherenkov ad acqua. Passando attraverso questo liquido, i neutrini possono interagire producendo radiazione Cherenkov, cioe’ una piccolissima scia luminosa indicante appunto il loro passaggio. Vista la bassa probabilita’ di avere questi aventi, e’ necessario avere dei volumi di acqua molto grandi e, ovviamente, dei sensori in grado di captare l’eventuale luce.

Detto questo, molti osservatori per neutrini sono stati realizzati posizionando rivelatori sul fondo dei mari. Questa soluzione offre un ottimo schermo alle altre particelle e soprattutto un notevole volume di liquido gratuito e sempre disponibile.

Uno degli ultimi esperimenti in corso di realizzazione e’ chiamato Km3net dell’Istituto nazionale di fisica nucleare a cui collaborano molti ricercatori italiani e stranieri. Questo esperimento prevede il posizionamento di alcune torri sottomarine nel mediterraneo, su cio posizionare sfere di fotomoltiplicatori, cioe’ dispositivi in grado di traformare le tracce luminose lasciate dai neutrini in segnali elettrici leggibili.

Una delle sfere di Km3net con i fotomoltiplicatori

Una delle stazioni di Km3net e’ stata posizionata in Sicilia, 80 Km a largo di Capo Passero. I fotomoltiplicatori sono stati posizionati su una torre di circa 400 metri, ancorata al fondo del mare che in quel punto ha una profondita’ di circa 2000 metri.

Sfruttando la particolare posizione della torre, in collaborazione con biologi marini di varie universita’, si e’ ben pensato di installare sulla struttura anche misuratori acustici. Questa soluzione e’ stata adottata perche’ consente di monitorare il passaggio di capodogli ma soprattutto consente di mappare l’inquinamento acustico sottomarino.

Perche’ si parla di inquinamento acustico sottomarino?

Come potete facilmente immaginare, il passaggio di navi nei mari, provoca rumori in profondita’. Proprio questi rumori possono disturbare i mammiferi acquatici che si trasmettono segnali acustici sottomarini. Secondo alcune teorie, questi disturbi possono notevolmente ridurre la distanza di comunicazione tra capodogli ma, soprattutto, potrebbero essere responsabili degli spiggiamenti che ogni tanto si verificano sulle coste.

Gia’ ai tempi del primo prototipo di Km3net in Sicilia nel 2005, lo strumento era riuscito ad ascoltare il passaggio di questi stupendi mammiferi. Ora, con il rivelatore finale, piu’ grande e performante, oltre ad individuare il loro passaggio, i sensori sono in grado di determinare anche la grandezza dei mammiferi. Questa soluzione e’ fondamentale per fare un censimento della popolazione di capodogli nei nostri mari.

Da quando e’ stato installato, questo rivelatore non solo e’ riuscito ad osservare il passaggio di diversi animali, ma soprattutto si e’ scoperto che la popolazione e’ maggiore di quanto ci si aspettasse e che i capodogli si trovano anche in zone che prima si pensavano poco battute da questi animali.

Come potete vedere, si tratta di uno splendido esempio di ricerche congiunte, in cui con una sola spesa si riesce a mettere insieme diversi campi di studio, con analisi diverse ma tutte molto importanti. Sicuramente, dal punto di vista biologico, i rivelatori installati consentiranno di avere una stima molto precisa del numero di cetacei presenti nei nostri mari, della loro grandezza ma, soprattutto, consentiranno di studiare con precisione l’effetto che l’inquinamento acustico sottomarino puo’ avere su questi animali. A questo punto non resta altro da fare che aspettare di raccogliere tanti dati per avere una buona statistica sia di capodogli che di neutrini.

 

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IceCube e l’esplorazione del cosmo con i neutrini

Nell’articolo precedente, abbiamo parlato di neutrini:

– EniGma con Nadir Mura

come visto nell’intervista, e come sicuramente ricorderete, queste particelle sono balzate agli onori delle cronache soprattutto a seguito della misura, poi trovata affetta da errori strumentali, che voleva i neutrini viaggiare ad una velocita’ superiore a quella della luce.

Ora, vorrei tornare nuovamente a parlare di queste particelle, a causa di una nuova misura fisica che sta facendo molto discutere.

Come sappiamo bene, i neutrini sono particelle molto particolari soprattutto a cusa della loro bassa probabilita’ di interazione con la materia, che li rende difficilmente rivelabili. Fino a pochi ani fa, si pensava addirittura che i neutrini non avessero massa, cosa smentita poi grazie alla ricerca e all’osservazione dell’oscillazione dei neutrini, cioe’ della proprieta’ di queste particelle di trasformarsi durante il cammino da una famiglia all’altra.

Proprio a causa di queste proprieta’ cosi’ particolari, i neutrini vengono studiati in diversi esperimenti e, molto spesso, in condizioni quasi estreme. Come detto, la bassa probabilita’ di osservazione, impone agli esperimenti di eliminare all’origine tutto il “rumore” da altre fonti, cioe’ quanto piu’ possibile, ogni altro evento prodotto da particelle diverse e che rischierebbe di coprire, a cuasa della maggiore probabilita’, i neutrini da rivelare.

Proprio per qusto motivo, si sente spesso parlare di rivelatori disposti in angoli remoti del mondo, all’interno delle miniere, sotto kilometri di roccia come nei laboratoridel Gran Sasso o anche immersi ad elevate profondita’ nel mare. Il motivo di questo e’, come anticipato, avere uno schermo naturale in grado di fermare le altre particelle lascinado passare i neutrini. Questi ultimi, a causa della bassa probabilita’ di interazione, passano con molta facilita’ kilometri di materiale senza interagire con la materia.

Posizionamento di uno dei rivelatori di IceCube nel ghiaccio

Dopo questa doverosa introduzione, vorrei parlarvi di IceCube, uno dei maggiori rivelatori di neutrini, costruito addirittura sotto i ghiacci dell’Antartide. IceCube e’ composto da un elevato numero di elementi sensibili, sepolti ad ua profondita’ variabile tra 1500 e 2500 metri di ghiaccio. La matrice cosi’ ottenuta consente di avere una superficie da rivelare dell’odine di 1 kilometro cubo.

Perche’ sto parlando di neutrini ed in particolare di IceCube?

Scopo di questi esperimenti e’ quello di studiare i neutrini provenienti dal sole o dai raggi cosmici, anche per rivelare nuove sorgenti astrofisiche. Il motivo di questo e’ molto semplice: studire le emissioni di neutrini da parte di oggetti nell’universo, consente di ottenere una sorta di telescopio con queste particelle e dunnque poter analizzare, anche in questo modo, lo spazio che ci circonda.

Bene, l’anno scorso, quasi per caso, IceCube ha individuato due neutrini con l’energia piu’ alta mai registrata sulla Terra, dell’ordine del petaelettronvolt. Per capire quanto sia elevata questa energia, basti pensare che LHC, il grande collisore del CERN, fa scontrare particelle con energia di 3.5 teraelettronvolt, cioe’ circa 300 volte inferiore a quella osservata da ICeCube. Durante l’analisi dei dati condotta per studiare questi eventi particolari, ci si e’ accorti che tra il 2010 e il 2012, il rivelatore avrebbe visto 26 eventi di alta energia, circa 10 volte quella di LHC.

Perche’ sono importanti questi eventi? Nel nostro sistema solare, l’unica sorgente di neutrini presente e’ il Sole. Questi pero, avendo energia molto piu’ bassa, non possono aver generato quanto osservato dai fisici di IceCube. Come potete capire, si tratta, con ottima probabilita’, di una sorgente extragalattica, non ancora identificata.

Dai modelli elaborati, le sorgenti di neutrini nello spazio potrebbero essere le esplosioni di Supernovae, i gamma ray burst o i quasar. Nell’idea, come anticipato, di realizzare un telescopio a neutrini dell’universo, molto interessante sarebbe individuare questa sorgente. Purtroppo, ad oggi, questo non e’ stato ancora possibile, soprattutto a causa dei pochi eventi raccolti all’esperimento.

Anche se manca la spiegazione ufficiale, possaimo provare a formulare ipotesi circa l’origine di questi eventi, soprattutto per capire l’importanza di questo risultato.

Dei gamma ray burst abbiamo parlato in questo post:

– WR104: un fucile puntato verso la Terra?

Ccome visto, la conoscenza di questi eventi, ma soprattutto, eventualmente, il poter studiare il loro comportamento diretto, ci permetterebbe di aumentare la nostra conoscenza dell’universo e, perche’ no, magari in futuro farci confermare o smentire idee catastrofiste.

In passato, precisamente nel 1987, sulla Terra arrivarono, ad esempio, i neutrini prodotti da una supernova molto distante nella Nube di Magellano. Anche in questo caso, eventi come quelli delle esplosioni di supernovae ci consentono di comprendere meglio importanti meccanismi alla base dell’universo.

Altre ipotesi formulate riguardano invece la materia oscura, di cui abbiamo parlato in questi post:

– La materia oscura

– Troppa antimateria nello spazio

Come visto, ad oggi, ci accorgiamo della presenza di materia oscura mediante considerazioni indirette. Purtroppo, non e’ stato ancora possibile individuare questa curiosa forma di materia, anche se molte ipotesi sono state formulate. Proprio l’astrofisica a neutrini potrebbe aiutare a sciogliere qualche riserva. Secondo alcune ipotesi infatti, i neutrini potrebbero essere stati prodotti dallo scontro di materia oscura nel centro della nostra Galassia. In questo caso, studiare in dettaglio i parametri dei candidati, aiuterebbe molto ad individuare la sorgente di produzione dei neutrini ma anche, e soprattutto, di ottenere maggiori informazioni sull’origine della Via Lattea e sulla natura della meteria oscura.

Concludendo, IceCube ha individuato 26 neutrini di alta energia che hanno attraversato i suoi rivelatori. Statisticamente, la probabilita’ che si tratti di un errore e’ inferiore  allo 0,004% per cui sara’ interessante analizzare i dati e capire meglio quali test organizzare nel futuro per cercare di risolvere importanti dubbi che ormai da troppo tempo sono in attesa di una spiegazione ufficiale.

 

”Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.