Studiare le supernove per capire i neutrini

Betelgeuse, una delle stelle più luminose del cielo, è una gigante rossa che forma la spalla sinistra della costellazione di Orione. Nel suo genere Betelgeuse è una stella vecchia, con un’età compresa tra gli 8 e gli 8,5 milioni di anni e si trova in prossimità delle ultime fasi tumultuose della sua vita. Tra settembre 2019 e gennaio 2020 si era offuscata in modo considerevole. Alcuni suggerirono che la stella stesse per diventare una supernova. Se fosse esplosa, vista la relativa vicinanza, Betelgeuse si trova a “soli” 642,5 anni luce dalla Terra, sarebbe stata visibile anche nella piena luce del giorno per settimane. Tuttavia, il 99% dell’energia irradiata dell’esplosione sarebbe trasportata non dai fotoni, ma dai neutrini, particelle fantasma che raramente interagiscono con la comune materia.
Se Betelgeuse dovesse trasformarsi a breve in una supernova proprio la massiccia emissione di neutrini ci aiuterebbe a capire cosa accade nel nucleo di una supernova, come ha spiegato Sam McDermott, un fisico teorico del Fermilab. Un eventuale flusso di neutrini di questo genere sarebbe un’opportunità da non perdere per indagare le proprietà dei neutrini stessi. Proprio al Fermilab entro la fine di questa decade entrerà in funzione il Deep Underground Neutrino Experiment che ha come obiettivo lo studio di queste misteriose particelle.
Deep Underground Neutrino Experiment o “DUNE” è un enorme serbatoio di argon liquido situato presso il Sanford Underground Research Facility nel South Dakot.
L’esperimento internazionale consisterà in due rivelatori posizionati lungo il percorso del fascio di neutrini più intenso del mondo: un rivelatore registrerà le interazioni delle particelle vicino alla sorgente, presso il Fermi National Accelerator Laboratory di Batavia nell’Illinois mentre un secondo rivelatore, molto più grande, sarà installato a più di un chilometro di profondità nel Sanford Underground Research Laboratory di Lead, nel Dakota del Sud, a 1300 chilometri di distanza dal punto di produzione.
Dune raccoglierà le interazioni dei neutrini trasmessi dal Fermilab e da quelli provenienti dallo spazio. Poiché una supernova emette neutrini in modo uniforme in tutte le direzioni, il numero di neutrini che DUNE potrebbe rilevare diminuisce con il quadrato della distanza tra la supernova e la Terra. Cioè, il numero di neutrini che potrebbero essere rilevati a 10.000 anni luce di distanza da una supernova è 100 volte inferiore al numero che potrebbe essere rilevato da una supernova altrettanto potente a 1.000 anni luce di distanza.
Per questo, se una supernova dovesse esplodere nella nostra galassia, distante da noi decine di migliaia di anni luce, DUNE potrebbe rilevare fino a qualche migliaio di neutrini. Se invece dovesse esplodere Betelgeuse, che è a poche centinaia di anni luce DUNE potrebbe captare fino a un milione di neutrini. Betelgeuse potrebbe splendere per settimane, ma la pioggia di neutrini durerebbe molto poco, solo pochi minuti.
Come ha spiegato Georgia Karagiorgi, fisica della Columbia University che guida il team di selezione dei dati di DUNE: “Immagina di essere nella foresta, c’è un prato e ci sono le lucciole, ed è l’ora della notte in cui ne escono migliaia. Se potessimo vedere le interazioni dei neutrini con i nostri occhi, sarebbe un po ‘come essere nel rivelatore DUNE”.
Il rilevatore seguirà i percorsi delle particelle cariche generate dal passaggio dei neutrini che collideranno con i pesanti atomi di argon. Nella maggior parte degli esperimenti, le interazioni dei neutrini saranno abbastanza rare da evitare confusione su quale neutrino ha causato l’interazione e in quale momento. Ma durante la supernova di Betelgeuse, il gran numero di neutrini in arrivo potrebbero rappresentare una sfida nell’analisi dei dati, come seguire una singola lucciola in un prato brulicante di insetti.
Come ha detto Karagiorgi: “Per rimuovere le ambiguità, ci affidiamo a informazioni chiare che riceviamo prontamente non appena avviene l’interazione”. La combinazione della firma luminosa e della firma di carica consentirebbe ai ricercatori di distinguere quando e dove si verifica ciascuna interazione dei neutrini.
Una volta raccolti i dati i ricercatori ricostruirebbero come i tipi, i sapori e le energie dei neutrini in arrivo variavano nel tempo. Il modello risultante potrebbe quindi essere confrontato con i modelli teorici della dinamica delle supernove. E potrebbe far luce sulle masse ancora sconosciute dei neutrini o rivelare nuovi modi in cui i neutrini interagiscono tra loro.
Gli astronomi nutrono la speranza che Betelgeuse esploda a breve, anche se probabilmente questo non avverrà se non tra molto tempo. DUNE si unirà al Supernova Early Warning System, o SNEWS, una rete di rilevatori di neutrini disseminati in tutto il mondo progettati per inviare automaticamente un avviso quando una supernova si accende nella nostra galassia. Poiché i neutrini attraversano una supernova senza ostacoli, mentre le particelle di luce vengono continuamente assorbite e riemesse fino a raggiungere la superficie, l’esplosione di neutrini arriva sulla Terra ore prima dell’arrivo della luce, da qui l’allarme precoce.
Il sistema SNEWS non ha mai rilevato il passaggio di neutrini. Sebbene ogni anno vengano osservate centinaia di supernove, la più recente abbastanza vicina alla Terra da poter essere rilevata grazie ai suoi neutrini si è verificata nel 1987, più di un decennio prima che SNEWS diventasse operativo. Sulla base di altre osservazioni, gli astronomi si aspettano che una supernova si verifichi nella nostra galassia in media più volte al secolo.
“Se gestiamo DUNE per alcuni decenni, abbiamo buone probabilità di vederne uno, e potremmo ricavarne molta scienza“, ha detto Alec Habig, un fisico dell’Università del Minnesota, Duluth, che coordina SNEWS ed è coinvolto nell’acquisizione dati su DUNE. “Quindi assicuriamoci di poterlo fare”.
Dato l’enorme raggio della supergigante rossa, ha spiegato Habig, DUNE rileverà i neutrini da Betelgeuse fino a 12 ore prima che la luce dell’esplosione raggiunga la Terra, dando agli astronomi tutto il tempo per puntare i loro telescopi in direzione della spalla di Orione. Oggi però sappiamo che Betelgeuse non sta per diventare una supernova, le osservazioni suggeriscono altro. La spiegazione era un segno della sua naturale variabilità,. Le stime attuali danno alla stella circa 100.000 anni di vita. Ma se gli scienziati fossero fortunati, “Un’esplosione a Betelgeuse sarebbe un’opportunità straordinaria“, ha detto McDermott, “E DUNE sarebbe una macchina incredibile per studiarla“.
Fonte: https://phys.org/news/2020-10-betelgeuse-boom-dune-nearby-supernova.html
Fonte: https://www.bo.infn.it/gruppo2/dune-it/#:~:text=Il%20Deep%20Underground%20Neutrino%20Experiment,Fermi%20National%20Accelerator%20Laboratory%20di