Il rilevamento di neutrini tau ad alta energia sta riscrivendo l’astrofisica

Recenti scoperte presso l’Osservatorio IceCube confermano il rilevamento di neutrini tau ad alta energia, facendo luce sull’oscillazione del sapore dei neutrini e sulle origini cosmiche di queste particelle

La recente rilevazione da parte dell’IceCube Neutrino Observatory di neutrini tau ad alta energia, precedentemente solo accennati, segna un progresso significativo nella comprensione dei neutrini astrofisici.

neutrini tau ad alta energia

L’importanza dei neutrini tau ad alta energia

Questi risultati, raccolti in un decennio di dati, supportano l’idea che i neutrini oscillino attraverso grandi distanze ed energie, svelando potenzialmente le origini dei neutrini da fonti cosmiche come i buchi neri.

Ogni secondo ci attraversano circa un trilione di minuscole particelle chiamate neutrini. Creati durante il Big Bang, questi neutrini “reliquia” esistono in tutto l’Universo, ma non possono farci del male. In effetti, è probabile che solo uno di essi tocchi leggermente un atomo nel nostro corpo durante tutta la tua vita.

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La maggior parte dei neutrini prodotti da oggetti come i buchi neri hanno molta più energia dei neutrini relitti che fluttuano nello Spazio. Sebbene siano molto più rari, questi neutrini tau ad alta energia hanno maggiori probabilità di schiantarsi contro qualcosa e creare un segnale che i fisici rilevare.

Gli esperimenti per riconoscere i neutrini tau ad alta energia

IceCube, in un esperimento, ha documentato un tipo particolarmente raro di neutrino astrofisico particolarmente energetico in uno studio pubblicato nell’aprile 2024 . Questi neutrini tau ad alta energia spesso si mascherano da altri tipi più comuni di neutrini. Ma per la prima volta un team di fisici è riuscito a rilevarli, estraendone alcuni da quasi 10 anni di dati.

La loro presenza avvicina i ricercatori a svelare il mistero di come vengono prodotte le particelle altamente energetiche come i neutrini astrofisici.

L’IceCube Neutrino Observatory dispone di circa 5.000 sensori che hanno scrutato attentamente una gigatonnellata di ghiaccio sotto il Polo Sud per oltre un decennio. Quando un neutrino si scontra con un atomo nel ghiaccio, produce una sfera di luce che i sensori registrano.

IceCube ha rilevato neutrini creati in diversi luoghi, come l’ atmosfera terrestre, il centro della Via Lattea e buchi neri in altre galassie a molti anni luce di distanza. Ma i neutrini tau ad alta energia, un tipo di neutrino particolarmente energetico appunto, è sfuggito a IceCube, fino ad ora.

I neutrini sono disponibili in tre tipi diversi, che i fisici chiamano sapori. Ogni sapore lascia un’impronta distinta su un rilevatore come IceCube. Quando un neutrino si scontra con un’altra particella, di solito produce una particella carica che corrisponde al suo sapore. Un neutrino muonico produce un muone, un neutrino elettronico produce un elettrone e un neutrino tau produce un tau.

I neutrini con un sapore muonico hanno la firma più distintiva, il team di fisici li ha naturalmente cercati per primi. Il muone emesso da una collisione di neutrini muonici viaggerà attraverso centinaia di metri di ghiaccio, formando una lunga traccia di luce rilevabile, prima di decadere. Questa traccia consente ai ricercatori di risalire all’origine del neutrino.

Successivamente il team ha esaminato i neutrini elettronici, le cui interazioni producono una sfera di luce approssimativamente sferica. L’elettrone prodotto dalla collisione di un neutrino elettronico non decade mai e si scontra con ogni particella del ghiaccio a cui si avvicina. Questa interazione lascia sulla sua scia una sfera di luce in espansione prima che l’elettrone finalmente si fermi.

Poiché la direzione del neutrino elettronico è molto difficile da discernere a occhio nudo, i fisici di IceCube hanno applicato tecniche di apprendimento automatico per indicare il punto in cui potrebbero essere stati creati i neutrini elettronici. Queste tecniche impiegano sofisticate risorse computazionali e mettono a punto milioni di parametri per separare i segnali dei neutrini da tutti i background conosciuti.

Il terzo sapore del neutrino, il neutrino tau, è il camaleonte del trio. Un neutrino tau può apparire come una traccia di luce, mentre il successivo può apparire come una palla. La particella tau creata nella collisione viaggia per una piccola frazione di secondo prima di decadere, e quando decade solitamente produce una palla di luce.

Quei neutrini tau creano due sfere di luce, una in cui inizialmente sbattono contro qualcosa e creano un tau, e una in cui il tau stesso decade. Nella maggior parte dei casi, la particella tau decade dopo aver percorso solo una distanza molto breve, facendo sì che le due sfere di luce si sovrappongano così tanto da renderle indistinguibili da una singola sfera.

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Energie più elevate, la particella tau emessa può viaggiare per decine di metri, formando due sfere di luce separate l’una dall’altra. I fisici dotati di queste tecniche di apprendimento automatico possono vedere attraverso questo e trovare l’ago nel pagliaio.

Con questi strumenti computazionali, il team è riuscito a estrarre sette neutrini tau ad alta energia da circa 10 anni di dati. Questi tau avevano energie più elevate anche dei più potenti acceleratori di particelle sulla Terra, il che significa che devono provenire da fonti astrofisiche, come i buchi neri.

Questi dati confermano la precedente scoperta di neutrini astrofisici da parte di IceCube e confermano un indizio secondo cui IceCube aveva precedentemente rilevato neutrini tau ad alta energia.

Questi risultati hanno indicato anche che anche alle energie più elevate e su grandi distanze, i neutrini si comportano più o meno allo stesso modo che alle energie più basse. In particolare, la rilevazione di neutrini tau ad alta energia conferma che i neutrini energetici provenienti da sorgenti distanti cambiano sapore, o oscillano. Anche i neutrini a energie molto più basse che viaggiano su distanze molto più brevi oscillano allo stesso modo.

Conclusioni

Man mano che IceCube e altri esperimenti sui neutrini raccoglieranno più dati e gli scienziati miglioreranno nel distinguere i tre sapori dei neutrini, i ricercatori saranno finalmente in grado di indovinare come vengono prodotti i neutrini che provengono dai buchi neri. I fisici vogliono anche scoprire se lo spazio tra la Terra e questi distanti acceleratori astrofisici di neutrini tratta le particelle in modo diverso a seconda della loro massa.

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Ci saranno sempre meno neutrini tau ad alta energia e i loro cugini muonici ed elettronici rispetto ai più comuni neutrini provenienti dal Big Bang, ma ce ne sono abbastanza per aiutare gli scienziati a cercare gli emettitori di neutrini tau ad alta energia nell’Universo e a studiare lo Spazio illimitato.

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