I dati raccolti da un osservatorio in Antartide hanno prodotto la nostra prima visione della galassia della Via Lattea attraverso la lente delle particelle di neutrino. È la prima volta che vediamo la nostra galassia “dipinta” con una particella, piuttosto che con diverse lunghezze d’onda della luce.
Il risultato, pubblicato su Science, offre ai ricercatori una nuova finestra sul cosmo. Si pensa che i neutrini siano prodotti, in parte, da particelle cariche ad alta energia chiamate raggi cosmici che entrano in collisione con altra materia. A causa dei limiti delle nostre apparecchiature di rilevamento, c’è ancora molto che non sappiamo sui raggi cosmici. Pertanto, i neutrini sono un altro modo di studiarli.
È stato ipotizzato fin dall’antichità che la Via Lattea che vediamo inarcarsi nel cielo notturno sia composta da stelle come il nostro Sole. Nel XVIII secolo fu riconosciuto come una lastra appiattita di stelle che stiamo osservando dall’interno. Sono passati solo 100 anni da quando abbiamo appreso che la Via Lattea è in realtà una galassia, o “universo insulare”, una tra cento miliardi di altre.
Nel 1923, l’astronomo americano Edwin Hubble identificò un tipo di stella pulsante chiamata “variabile Cefeide” in quella che allora era conosciuta come la “nebulosa” di Andromeda (una gigantesca nuvola di polvere e gas). Grazie al precedente lavoro di Henrietta Swan Leavitt, questo ha fornito una misura della distanza dalla Terra ad Andromeda.
Ciò ha dimostrato che Andromeda è una galassia lontana come la nostra, risolvendo un dibattito di lunga data e trasformando completamente la nostra idea del nostro posto nell’universo.
Finestre apribili
Successivamente, quando nuove finestre astronomiche si sono aperte sul cielo, abbiamo visto la nostra casa galattica in molte diverse lunghezze d’onda della luce – nelle onde radio, in varie bande infrarosse, nei raggi X e nei raggi gamma. Ora possiamo vedere la nostra dimora cosmica nelle particelle di neutrino, che hanno una massa molto bassa e interagiscono solo molto debolmente con altra materia – da qui il loro soprannome di “particelle fantasma“.
I neutrini vengono emessi dalla nostra galassia quando i raggi cosmici entrano in collisione con la materia interstellare. Tuttavia, i neutrini sono prodotti anche da stelle come il Sole, alcune stelle che esplodono, o supernove, e probabilmente dalla maggior parte dei fenomeni ad alta energia che osserviamo nell’universo come lampi di raggi gamma e quasar. Quindi, possono fornirci una visione senza precedenti dei processi altamente energetici nella nostra galassia, una visione che non possiamo ottenere usando solo la luce.
Il nuovo rilevamento rivoluzionario ha richiesto un “telescopio” piuttosto strano che è sepolto a diversi chilometri di profondità nella calotta glaciale antartica, sotto il Polo Sud. L’IceCube Neutrino Observatory utilizza una gigatonne di ghiaccio ultratrasparente sottoposto a enormi pressioni per rilevare una forma di energia chiamata radiazione Cherenkov.
Questa debole radiazione viene emessa da particelle cariche che, nel ghiaccio, possono viaggiare più velocemente della luce (ma non nel vuoto). Le particelle sono create dai neutrini in arrivo, che provengono da collisioni di raggi cosmici nella galassia, colpendo gli atomi nel ghiaccio.
I raggi cosmici sono principalmente particelle di protoni (queste costituiscono il nucleo atomico insieme ai neutroni), insieme a pochi nuclei pesanti ed elettroni. Circa un secolo fa, si scoprì che questi piovevano uniformemente sulla Terra da tutte le direzioni. Non conosciamo ancora definitivamente tutte le loro fonti, poiché le loro direzioni di viaggio sono confuse dai campi magnetici che esistono nello spazio tra le stelle.
Nel profondo del ghiaccio
I neutrini possono agire come traccianti unici delle interazioni dei raggi cosmici nelle profondità della Via Lattea. Tuttavia, le particelle spettrali vengono generate anche quando i raggi cosmici colpiscono l’atmosfera terrestre. Quindi i ricercatori che utilizzavano i dati di IceCube avevano bisogno di un modo per distinguere tra i neutrini di origine “astrofisica” – quelli originati da fonti extraterrestri – e quelli creati dalle collisioni di raggi cosmici all’interno della nostra atmosfera.
I ricercatori si sono concentrati su un tipo di interazione dei neutrini nel ghiaccio chiamata cascata. Questi si traducono in piogge di luce approssimativamente sferiche e danno ai ricercatori un migliore livello di sensibilità ai neutrini astrofisici della Via Lattea. Questo perché una cascata fornisce una migliore misurazione dell’energia di un neutrino rispetto ad altri tipi di interazione, anche se sono più difficili da ricostruire.
L’analisi di dieci anni di dati di IceCube utilizzando sofisticate tecniche di apprendimento automatico ha prodotto quasi 60.000 eventi di neutrini con un’energia superiore a 500 gigaelettronvolt (GeV). Di questi, solo il 7% circa era di origine astrofisica, mentre il resto era dovuto alla sorgente “di fondo” di neutrini che si generano nell’atmosfera terrestre.
L’ipotesi che tutti gli eventi dei neutrini potessero essere dovuti a raggi cosmici che colpiscono l’atmosfera terrestre è stata definitivamente respinta a un livello di significatività statistica noto come 4,5 sigma. In altre parole, il nostro risultato ha solo una possibilità su 150.000 di essere un colpo di fortuna.
Questo è leggermente inferiore allo standard 5 sigma convenzionale per rivendicare una scoperta nella fisica delle particelle. Tuttavia, tale emissione dalla Via Lattea è prevista su solide basi astrofisiche.
Con l’imminente ampliamento dell’esperimento – IceCube-Gen2 sarà dieci volte più grande – acquisiremo molti più eventi di neutrini e l’attuale immagine sfocata si trasformerà in una visione dettagliata della nostra galassia, una visione che non avevamo mai avuto prima.
Autore
Subir Sarkar, Università di Oxford
