I telescopi per neutrini

Dal primo telescopio a neutrini di Davis alla prossima infrastruttura di ricerca scientifica europea

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Il  neutrino è una particella subatomica elementare appartenente al gruppo dei leptoni e alla famiglia dei fermioni,  con carica elettrica nulla. Per molto tempo si era ritenuto  che questa sfuggente particella fosse priva di massa, in realtà ha una massa sia pure piccolissima che si stima essere da 100.000 a 1.000.000 di volte più  piccola  di quella dell’elettrone. 

L’esistenza del neutrino venne postulata nel 1930 da Wolfgang Pauli per spiegare lo spettro continuo del decadimento beta, studiato anche da Enrico Fermi, fu  però definitivamente  scoperto da un punto di vista sperimentale nel 1956 dai fisici Clyde Cowan e Fred Reines nel corso di un esperimento eseguito nel reattore a fissione di Savannah River.

Il primo rivelatore di  neutrini fu progettato da Ray Davis (1914-2006) per studiare le  reazioni di fusione  nucleare che si verificano nel  Sole. Il “telescopio” del fisico americano consisteva essenzialmente in una cisterna di 400.000 litri di percloroetilene (un fluido solvente per il  lavaggio a secco). Questa cisterna era sepolta a più di un chilometro di profondità nella  crosta terrestre della miniera di Homestake, nel Dakota del Sud.

Era per l’epoca il più stravagante telescopio mai concepito ma la sua bizzarria (oggi ampiamente superata da altri rivelatori) era  indispensabile per la grande elusività dei neutrini. La profondità della  miniera schermava il serbatoio dalle altre  particelle subatomiche che  bombardano continuamente il nostro pianeta mentre il fluido forniva   atomi di cloro sufficienti per garantire un numero percettibile di neutrini.

L’esperimento rivelò soltanto un terzo dei neutrini attesi: una scoperta significativa  per la fisica delle  particelle che valse a Davis nel 2002, insieme a Giacconi e Koshiba, il Premio  Nobel  “per i contributi pionieristici all’astrofisica, e in particolare per l’individuazione dei neutrini cosmici”.

Si scoprì che i neutrini si presentavano in tre famiglie distinte: neutrini elettronici, muonici e tauonici in diretta relazione rispettivamente con i leptoni del modello standard (elettrone, muone e tauone).

Il telescopio di Davis era sensibile soltanto ad un tipo di neutrini. Le reazioni nucleari del Sole generano il numero atteso di neutrini ma nel viaggio  verso la Terra il “sapore” dei neutrini oscilla. Un telescopio  più sensibile  è ICE CUBE i cui sensori sono sepolti nella profondità del ghiaccio antartico.  I laboratori di IceCube si trovano nell’Amundsen-Scott South Pole Station mentre i raffinatissimi rilevatori sono sepolti e sparsi in un chilometro cubo di ghiaccio per cogliere i lampi della radiazione Cherenkov che indicano l’interazione tra neutrini ad alta energia provenienti dallo spazio ed atomi terrestri.

Anche se IceCube si trova al Polo Sud i suoi sensori guardano in “giù” e catturano i neutrini provenienti dall’emisfero nord del pianeta. Nel 2013 furono rilevati  i primi 28 neutrini ad alta energia prodotti da eventi di estrema potenza verificatosi nello spazio profondo.

Sempre nuovi telescopi di neutrini sono in fase di progettazione e realizzazione, tra gli altri il Cubic Kilometre Neutrino Telescope, o KM3NeT,  una futura infrastruttura europea di ricerca scientifica, che sarà posizionata sul fondale del Mar Mediterraneo. Conterrà un telescopio di neutrini di nuova generazione nella forma di un rivelatore Čerenkov con un volume di cinque chilometri cubi distribuiti in tre posizioni nel Mediterraneo: KM3NeT-Fr (al largo di Tolone, Francia), KM3NeT-It (al largo di Portopalo di Capo Passero, Sicilia, Italia) e KM3NeT-Gr (al largo di Pylos, Peloponneso, Grecia).

KM3NeT cercherà i neutrini provenienti da sorgenti astrofisiche distanti come resti di supernova, lampi gamma, supernovae o collisioni tra stelle e sarà un potente strumento nella ricerca della materia oscura nell’universo.