IceCube, un telescopio nel ghiaccio a caccia di neutrini

Corrado Ruscica

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Diagramma del rivelatore DOM di IceCube con il cono di radiazione Cerenkov che lo attraversa. Credit: IceCube

Lo scorso Dicembre, è stato celebrato il completamento dei lavori del più grande osservatorio per lo studio dei neutrini al Polo Sud. Si tratta di una collaborazione internazionale che vede la partecipazione di 40 istituti provenienti da vari paesi. IceCube Neutrino Observatory è un progetto che è stato ampiamente finanziato dalla National Science Foundation sotto la guida dell'University of Wisconsin-Madison. Inoltre, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti presso il Lawrence Berkeley National Laboratory ha avuto un contributo importante per la costruzione ed il design della struttura e dei suoi componenti.

L'osservatorio è racchiuso all'interno di un chilometro cubo di ghiaccio all'interno della superficie dell'Antartide. Il telescopio è così grande a causa del fatto che gli eventi relativi alle collisioni dei neutrini con la materia sono estremamente rari. Degli oltre trilioni di neutrini che passano costantemente attraverso il ghiaccio, IceCube è in grado di osservarne qualche centinaio al giorno. La rivelazione dei neutrini sarà possibile poiché quando essi interagiscono con i nuclei degli atomi di ossigeno nel ghiaccio, essi si trasformano in particelle cariche, chiamate muoni, che procedono nella stessa direzione. Ora, dato che i muoni, assieme ad altre particelle residue del processo di collisione, si muovono più velocemente rispetto alla luce che si muove nel ghiaccio, essi possono produrre una onda d'urto che si rivela come radiazione Cherenkov di colore blu visibile dai fotorivelatori del telescopio.

Nonstante IceCube sia stato completato da qualche settimana, sono stati già raggiunti alcuni risultati scientifici durante la sua costruzione grazie al progetto AMANDA. Tra questi, la realizzazione di una mappa della distribuzione dei neutrini sull'intera volta celeste ottenuta dopo un anno di osservazioni, utilizzando solo metà dell'intero sistema di rivelatori. Gli esperimenti hanno permesso di registrare tutta una serie di eventi concludendo che i neutrini sono effettivamente distribuiti in maniera casuale su tutto il cielo. Uno studio più approfondito e dettagliato sui neutrini di origine extraterrestre riguarda la ricerca dei cosiddetti "sapori", cioè dei vari tipi di neutrini che sono associati agli elettroni, ai muoni e ai tauoni. Infatti, quando i neutrini di tipo elettronico interagiscono con il ghiaccio essi producono una cascata di particelle che viene rivelata come una sorgente puntiforme. Uno dei vantaggi di questa ricerca dei neutrini elettronici è dovuto al fatto che il fondo dei neutrini atmosferici è basso. Inoltre, lo strumento è in grado di misurare la loro energia con precisione elevata. Con IceCube è stato possibile misurare anche lo spettro di energia dei neutrini di tipo muonico relativamente a quelli che hanno valori di energia da 100 miliardi di elettronvolt fino a 400 triliardi di elettronvolt. Finora, i risultati indicano che lo spettro è consistente con quello di neutrini associati ai raggi cosmici presenti nell'atmosfera terrestre. Se si rivelasse una ulteriore componente di neutrini di altissima energia, essa dovrebbe essere presente sottoforma di un segnale caratteristico di origine extraterrestre. Infine, IceCube ha cercato neutrini associati alle esplosioni più violente ed energetiche dell'Universo, i lampi di raggi-gamma (Gamma-Ray Burst, GRB), forse dovute alla collisione di un buco nero con una stella di neutroni oppure associate al collasso gravitazionale di una stella con una massa almeno 100 volte quella del Sole. Anche se nessuna sorgente di neutrini è stata osservata provenire da questi eventi estremamente energetici, i ricercatori hanno comunque posto dei limiti ai valori del numero di neutrini nei modelli teorici che spiegano, appunto, l'emissione di neutrini associata ai GRB.

Uno dei risultati più interessanti ottenuti da IceCube riguarda lo studio di neutrini come particelle candidate della materia scura. Finora, IceCube ha posto un limite al numero dei neutrini di alta energia che provengono dal Sole e ciò pone, a sua volta, un limite alla possibile quantità e successiva annichilazione di materia scura presente nel Sole. Sappiamo che la materia scura è, di fatto, "scura" proprio perché essa non interagisce elettromagneticamente e l'unica forza con la quale può interagire è la gravità. Nonostante siano stati proposti vari tipi di materia scura, finora non è stata trovata alcun tipo di particella. Il neutralino sembra essere la particella maggiormente candidata essendo la più leggera delle particelle più massicce che interagiscono debolmente con la materia (Weakly Interacting Massive Particles, WIMPs). Oltre alla gravità, il neutralino dovrebbe interagire con la forza nucleare debole, anche se la materia dovrebbe apparire per loro ancora "trasparente". Dunque, i neutralini dovrebbero accumularsi all'interno di corpi celesti di grande massa, come la Terra e il Sole, e dato che essi sono le rispettive antiparticelle, quando esse interagiscono annichilano ed emettono neutrini energetici. Tuttavia, IceCube non ha rivelato neutrini di alta energia provenienti dal Sole e ciò pone dei limiti stringenti sulla presenza di neutralini, o di qualche altro tipo di particella di materia scura, all'interno della nostra stella.

Insomma, IceCube rappresenta un laboratorio terrestre unico per lo studio in generale dei neutrini e questi primi risultati non sono altro che la punta dell'iceberg di ciò che ci aspettiamo dai futuri esperimenti una volta che il telescopio sarà operativo a pieno regime.