L'esperimento Super-Kamiokande, in Giappone, si propone di rilevare i neutrini provenienti da esplosioni di supernove avvenute anche nel più lontano passato
Le supernove sono tra gli oggetti più luminosi dell’universo, non solo in termini di luce, ma anche come concentrazione di neutrini.
La presenza di neutrini all’interno di stelle supernove fu evidenziata per la prima volta nel 1987, a seguito di un’esplosione stellare avvenuta in una galassia limitrofa. Da allora gli scienziati hanno atteso, invano, la successiva esplosione “vicina”.
In ogni caso, oggi il cielo è pieno di neutrini fossili provenienti da supernove esplose anche nel passato più lontano. Lo scopo dell’esperimento Super – Kamiokande, in Giappone, è proprio quello di rilevare questi neutrini fossili; ma finora ha avuto poco successo.
Per migliorare la sensibilità dei rilevatori, i ricercatori hanno pensato di aggiungere della polvere di gadolinio alle 50.000 tonnellate di acqua ultrapura già presenti. Se l’intuizione si dovesse rivelare esatta, nel giro di qualche anno si dovrebbero concretizzare i primi segnali di neutrini fossili.
Il collasso del nucleo di una supernova si verifica quando una stella di grandi dimensioni si esaurisce e autoimplode per effetto della gravità. A seguito di questo collasso, si verifica un’esplosione che genera un lampo di luce simile a quello di un’intera galassia.
Quasi tutta l’energia del collasso gravitazionale viene trasmessa attraverso i neutrini. Gli astronomi sono impegnati nello studio dei neutrini che si generano da queste esplosioni, perché essi rappresentano l’unico strumento che può dare delle indicazioni sul meccanismo alla base del collasso gravitazionale di una supernova.
Nonostante l’ampia concentrazione di neutrini emessi dall’esplosione di una supernova, attualmente siamo in grado di rilevare solo quelli legati a eventi relativamente vicini.
Nel 1987 si era verificato il collasso del nucleo di una supernova, all’interno di una galassia nana localizzata in prossimità della Via Lattea; tale evento fu osservato da diversi rilevatori di neutrini, con un picco di 24 neutrini individuati. Lo studio di quell’evento permise agli scienziati di stimare l’energia totale emessa dalla supernova e trasportata dai neutrini.
L’obiettivo dei ricercatori però era quello di osservare un numero maggiore di eventi simili a questo, per avere un quadro più completo della distribuzione di energia dei neutrini da supernova. Purtroppo, nello spazio cosmico a noi più vicino non sono presenti delle stelle di grandi dimensioni o simili a supernove.
John Beacom, uno scienziato della Ohio State University, asserisce che esiste un modo per osservare, in un futuro molto prossimo, dei neutrini da supernova, andando a cercare quei neutrini fossili provenienti da supernove esistite nel passato della storia cosmica.
Questo sfondo riempie tutto l’Universo con una densità di energia paragonabile alla densità di energia della luce proveniente da tutte le stelle finora esistite. In termini di flusso, i modelli stimano che la superficie terrestre dovrebbe essere colpita da un paio di neutrini fossili per centimetro quadrato al secondo.
Al momento, l’unico rivelatore in grado di individuare questo flusso è il Super – Kamiokande giapponese.
Nel corso di questi ultimi venti anni, le ricerche del Super – Kamiokande (semplificato in Super – K) si sono basate su eventi nei quali un neutrino fossile collide con uno dei protoni contenuti in un serbatoio alto 41 metri, dando origine a un positrone e a un neutrone. Il neutrone fluttua nell’acqua fino a integrarsi con un nucleo di idrogeno, producendo un raggio gamma difficile da rilevare.
Il positrone, muovendosi velocemente, genera una luce di Cerenkov, che può essere misurata dai 130.000 fotorilevatori posti sulle pareti del serbatoio. Il problema è che segnali di Cerenkov simili a questo, vengono prodotti anche dai raggi cosmici e da neutrini provenienti dal Sole, dall’atmosfera e dai reattori nucleari. In media, solo circa 1 su 10.000 segnali è associato a un neutrino fossile da supernova.
Il mese scorso, nell’ambito della conferenza Neutrino 2020, Sonia El Hedri, una scienziata dell’Ecole Polytechnique (Francia), ha presentato i risultati di una nuova strategia utilizzata per identificare gli eventi che producono neutroni, dai quali si potrebbero individuare i neutrini provenienti da supernove.
Non si tratta di vere e proprie rilevazioni, ma certamente la sensibilità verso i neutrini fossili da supernova si sta avvicinando sempre di più a quelle che sono le previsioni teoriche.
Per migliorare questa sensibilità, il team dell’esperimento Super – Kamiokande ha deciso di stravolgere radicalmente il rivelatore. Il progetto – descritto per la prima volta nel 2004 da John Beacom e Mark Vagins della University of California – consiste nell’aggiungere del gadolinio alla quantità di acqua ultrapura contenuta nel serbatoio del Super – K.
Il nucleo di gadolinio cattura i neutroni più facilmente rispetto al nucleo di idrogeno. Quando un neutrone viene catturato dal gadolinio, esso genera un raggio gamma denso di energia che risulta di più facile identificazione.
Dallo scorso 14 luglio (2020), all’interno del serbatoio del Super-K vengono diffuse 13 tonnellate di solfato gadolinio, che si andranno a mescolare alle 50.000 tonnellate di acqua ultra pura già presenti.
Secondo i piani del team di ricerca, il mescolamento del gadolinio con l’acqua dovrebbe concludersi entro la fine del mese di agosto; a quel punto la concentrazione del gadolinio sarà di circa lo 0,01% dell’intera massa.
Secondo le stime degli scienziati, il Super-K arricchito con gadolinio dovrebbe permettere di rilevare almeno tre neutrini fossili da supernova per anno. Mark Vagins ritiene che entro quatto, massimo sei anni, il team potrà disporre di un set sufficiente di dati per produrre un documento scientificamente valido.
L’aspetto rilevante dei neutrini fossili da supernova è che essi rappresentano una media relativa a tutte le esplosioni che si sono verificate nel passato. Questo esperimento significa che si stanno creando le condizioni per capire veramente cosa sia effettivamente una supernova.
Fonte: physics.aps.org
