Il neutrino è un elemento fondamentale della fisica della particelle, classificato come leptone. Ogni secondo ci attraversano circa un trilione di neutrini. Creati durante il Big Bang, essi 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 vita di un essere umano. La maggior parte dei neutrini prodotti da oggetti come i buchi neri hanno molta più energia dei loro simili che invece fluttuano nello spazio. Sebbene siano molto più rari, questi neutrini energetici hanno maggiori probabilità di schiantarsi contro qualcosa e creare un segnale che i fisici possono rilevare.
A caccia del neutrino perduto
Per rilevarli i fisici dei neutrini hanno dovuto servirsi esperimenti importanti. Il team di ricerca di IceCube ha documentato un tipo particolarmente raro di neutrino astrofisico particolarmente energetico in uno studio pubblicato nell’aprile 2024.
Queste particelle spesso si mascherano da altri tipi più comuni. Douglas Cowen ha spiegato che lui e i suoi colleghi sono riusciti a rilevarli e studiarli. La loro presenza avvicina i ricercatori come lo stesso Cowen a svelare il mistero di come vengono prodotte alcune particelle altamente energetiche esistenti in natura come i neutrini astrofisici.
L’IceCube Neutrino Observatory è una struttura scientifica dove si svolgono numerosi esperimenti sui leptoni. 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 alcuni di questi elementi 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. Tau, un tipo di particella particolarmente energetica, è sicuramente la più rara e misteriosa.
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 se ne produce una carica che corrisponde al suo sapore. Un neutrino muonico produce un muone, un elettronico produce un elettrone e un tau produce appunto un tau.
I neutrini con un sapore muonico hanno la firma più distintiva, quindi Cowen e colleghi li hanno 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.
I neutrini elettrici
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 leptone 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 create le particelle elettroniche.
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, il 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 in questione creata nella collisione viaggia per una piccola frazione di secondo e quando decade solitamente produce una palla di luce. I neutrini tau creano due sfere di luce, una che va a sbattere contro qualcosa creando un tau, e una in cui il tau stesso decade.
Il destino della particella tau
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. A energie più elevate, tuttavia, la particella tau emessa può viaggiare per decine di metri, formando due sfere di luce separate l’una dall’altra.
