I neutrini sono particelle subatomiche di massa piccolissima e carica elettrica nulla, molto difficili da rilevare perché interagiscono debolmente con la materia. A oggi sono stati progettati molteplici esperimenti per osservarli, in tutto il mondo, impiegando diverse tecniche: rivelatori Cherenkov, rivelatori a scintillazione, rivelatori a gas o a stato solido, oppure rivelatori impiegati negli acceleratori di particelle.
I rivelatori Cherenkov sfruttano il fatto che i neutrini, interagendo con la materia, possono produrre particelle cariche che viaggiano più velocemente della luce nel mezzo circostante (acqua o ghiaccio), generando radiazione Cherenkov. I tre principali sono Super-Kamiokande in Giappone, IceCube in Antartide e Km3NeT nelle acque del Mediterraneo. I rivelatori a scintillazione usano materiali scintillatori liquidi o solidi che emettono fotoni quando una particella carica attraversa il mezzo. Tra questi ci sono Borexino (in Italia, presso i Laboratori nazionali del Gran Sasso) e KamLand (in Giappone). I rivelatori a gas o a stato solido (Time Projection Chambers, camere a bolle, ecc.) usano materiali densi per aumentare la probabilità di interazione dei neutrini, come Icarus (prima al Cern, ora al Fermilab, in Usa) e Dune (Usa, in costruzione). Esistono inoltre esperimenti che cercano neutrini di origine astrofisica, provenienti da supernove, buchi neri o raggi cosmici: Anita (in Antartide), che rileva neutrini attraverso onde radio prodotte nell’interazione con la calotta di ghiaccio e Baikal-Gvd (in Russia, nel lago Baikal), simile a IceCube; Snews (SuperNova Early Warning System), una rete di esperimenti che cerca neutrini emessi da supernove in tempo reale. Infine, esperimenti con acceleratori di particelle che producono fasci di neutrini per studiare le loro oscillazioni e proprietà, come Minos, Nova (Usa), che studiano l’oscillazione dei neutrini lungo tragitti di centinaia di chilometri, e T2K (Giappone), che usa un fascio di neutrini prodotto dal J-Parc verso Super-Kamiokande, a 295 chilometri di distanza.
Impressione artistica di KM3Net. Crediti: KM3Net Collaboration
Qui ci focalizzeremo sui rivelatori della famiglia Cherenkov in acqua o ghiaccio, che sfruttano un effetto fisico previsto dalla teoria di Maxwell: particelle cariche che attraversano un mezzo con velocità superiore a quella della luce nello stesso mezzo, emettono radiazione elettromagnetica che si propaga con un fronte d’onda conico. In pratica, l’energia spesa dalla particella “superluminale” nel polarizzare gli atomi del mezzo, lungo la sua traiettoria, viene restituita dal mezzo nel processo di diseccitazione sotto forma di radiazione coerente (un’onda d’urto elettromagnetica, un po’ come accade con l’onda d’urto meccanica generata dagli aerei supersonici). Tale radiazione è chiamata appunto radiazione Cherenkov – o Čerenkov – in omaggio al fisico sovietico che la rilevò per la prima volta nel 1934, e che per questo vinse il Nobel nel 1958.
I neutrini, essendo neutri, non emettono direttamente radiazione Cherenkov. Tuttavia, quando un neutrino interagisce con una molecola d’acqua o di ghiaccio, può generare una particella carica secondaria (ad esempio, un elettrone o un muone). Questa particella secondaria può viaggiare a una velocità superiore alla velocità della luce nel mezzo (rimanendo inferiore alla velocità della luce nel vuoto). La particella carica emette un cono di luce blu simile all’alone blu che si vede nei reattori nucleari immersi in acqua. La rilevazione della luce viene effettuata tramite fotomoltiplicatori posizionati attorno al volume d’acqua o di ghiaccio, che catturano la luce Cherenkov. L’analisi della direzione e dell’intensità della luce permette di ricostruire l’energia e la direzione del neutrino originale. Tra questi esperimenti ricade Km3NeT, di cui si parla oggi. Ma vediamo brevemente i principali.
Super-Kamiokande è situato in una miniera a un chilometro di profondità, vicino a Hida, in Giappone. Contiene 50mila tonnellate di acqua ultra-pura ed è circondato da oltre 11mila fotomoltiplicatori per rilevare la radiazione Cherenkov. L’intervallo di energia coperto va da pochi MeV a 100 GeV. Ha studiato i neutrini solari, atmosferici e da supernove, oltre a verificare il fenomeno dell’oscillazione dei neutrini.
Una delle oltre 5mila sonde che ricevono la luce (Dom) equipaggiato con un fotomoltiplicatore, il cui fotocatodo è visibile nell’emisfero inferiore. Crediti: Taavi Adamberg
IceCube è posto in Antartide e utilizza un chilometro cubo di ghiaccio al Polo Sud come mezzo di rilevazione. I suoi sensori ottici sono distribuiti fino a 2.5 chilometri di profondità nel ghiaccio per catturare la luce Cherenkov. L’intervallo di energia coperto va da 100 GeV a PeV e oltre. È specializzato nella rilevazione di neutrini ad altissima energia provenienti da sorgenti cosmiche (buchi neri, supernove, raggi cosmici) e ha fornito prove dell’esistenza di neutrini provenienti da blazar e galassie attive, contribuendo alla nascita dell’astronomia multi-messaggero.
Baikal-Gvd è situato nel lago Baikal, in Russia, e sfrutta l’acqua dolce come mezzo di rilevazione. È simile a IceCube ma meno profondo e con una struttura modulare che consente ulteriori espansioni. L’intervallo di energia coperto va da 10 TeV a PeV. Studia i neutrini astrofisici e atmosferici.
Anita (Antarctic Impulsive Transient Antenna) è un esperimento molto particolare che cerca neutrini ultra-energetici sfruttando le onde radio generate dalla loro interazione con il ghiaccio dell’Antartide. È un osservatorio “volante”: viene lanciato da un pallone stratosferico a circa 37 chilometri di altitudine, dove può osservare un’area molto vasta della calotta di ghiaccio antartico. Il suo sistema di antenne cattura le onde radio emesse dalle interazioni dei neutrini con il ghiaccio. In pratica il neutrino ultra-energetico (10¹⁸ eV) e oltre colpisce il ghiaccio antartico e l’interazione con un atomo genera una doccia di particelle cariche che a sua volta generano un impulso radio Cherenkov nel ghiaccio. Le onde radio che emergono dalla superficie vengono captate dalle antenne di Anita. Anita può rilevare neutrini con energie superiori a quelle osservabili con altri esperimenti e la sua copertura è enorme, osservando centinaia di migliaia di chilometri quadrati di ghiaccio, aumentando le probabilità di intercettare un evento raro.
Infine, protagonista della giornata, Km3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope) è un’infrastruttura di ricerca europea situata sui fondali del Mar Mediterraneo, progettata per funzionare in modo simile a IceCube. Ha due impianti: Km3NeT-it, al largo di Portopalo di Capo Passero (in Sicilia) che ospita Arca (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss), ottimizzato per neutrini cosmici di alta energia (10 TeV – PeV) e Km3Net-Fr al largo di Tolone, in Francia, che ospita Orca (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss), progettato per studiare l’oscillazione dei neutrini atmosferici (1 GeV – 10 TeV). La sua geolocalizzazione è strategica, in quanto si trova nell’emisfero Nord, complementare a IceCube in Antartide, permettendo di monitorare il cielo meridionale.
Nell’infografica sottostante abbiamo riportato la posizione e le principali caratteristiche di ognuno.
Infografica dei principali esperimenti per il rilevamento dei neutrini sfruttando la radiazione Cherenkov. Crediti: Inaf
Riportiamo, per completezza, altri due esperimenti che sebbene non siano stati progettati principalmente per il rilevamento dei neutrini, sono strettamente collegati all’astronomia multi-messaggera, che studia fenomeni astrofisici tramite diversi tipi di particelle (neutrini, fotoni, raggi cosmici, onde gravitazionali).
Lhaaso è un osservatorio costruito in Tibet (Cina) a 4.410 metri di altitudine, che rileva le particelle secondarie prodotte quando raggi cosmici o raggi gamma interagiscono con l’atmosfera terrestre. Il sistema include rivelatori Cherenkov ad acqua, che rilevano la luce Cherenkov prodotta dalle particelle cariche nelle docce atmosferiche; array di scintillatori, che misurano l’energia e la direzione delle particelle; telescopi Cherenkov, che osservano la radiazione Cherenkov nell’atmosfera. Sebbene Lhaaso non rilevi direttamente neutrini, può identificare sorgenti di raggi gamma ultra-energetici (TeV – PeV) che potrebbero anche emettere neutrini, aiutando esperimenti come IceCube o Km3NeT a individuare le loro controparti neutrini.
Cta (Cherenkov Telescope Array) è un array di telescopi Cherenkov atmosferici distribuiti nei due emisferi: Cta-Nord a La Palma, Isole Canarie (Spagna) e Cta-Sud, a Paranal, in Cile. Il range di energia coperto è 20 GeV – 300 TeV. Similmente a Lhaaso, Cta non rileva neutrini direttamente ma aiuta a identificare le sorgenti di raggi gamma di altissima energia, che possono essere collegate a sorgenti di neutrini astrofisici osservate da IceCube o Km3NeT. Sono quindi complementari a esperimenti come IceCube, Km3NeT e Baikal-GVD per studiare l’universo con un approccio multi-messaggero.
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