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Nella gelida landa desolata dell'Antartide si trova un enorme rivelatore di particelle, l'Osservatorio di neutrini IceCube. Ma cercare lo strumento in superficie si rivelerà difficile, perché la maggior parte dell'osservatorio è intrappolata sotto il ghiaccio. L'Osservatorio internazionale è alla ricerca di neutrini privi di massa, particelle prive di carica che non interagiscono quasi mai con la materia. Ora, le sue osservazioni potrebbero risolvere uno dei più grandi misteri dell'astronomia, rispondendo alle domande dietro l'origine dei neutrini e dei raggi cosmici.

Il più grande di tutti

L'Osservatorio IceCube Neutrino copre un chilometro cubo vicino al Polo Sud. Lo strumento copre un chilometro quadrato di superficie e si estende fino a 4.920 piedi (1.500 metri) di profondità. È il primo rivelatore di neutrini gigaton mai costruito.

Mentre le fotografie di IceCube mostrano spesso un edificio seduto sulla superficie innevata, il vero lavoro viene svolto sotto. L'esperimento multiuso include un array di superficie, IceTop, un array di 81 stazioni che si trovano sopra le corde. IceTop funge da rilevatore di calibrazione per IceCube, oltre a rilevare le piogge d'aria dai raggi cosmici primari, il loro flusso e la loro composizione.

Il denso sottorilevatore interno, DeepCore, è la centrale dell'esperimento IceCube. Ciascuna delle stazioni IceTop è costituita da stringhe collegate a moduli ottici digitali (DOM) che sono distribuiti su una griglia esagonale This Webd a 410 piedi (125 metri) di distanza. Ogni stringa contiene 60 DOM delle dimensioni di un basket. Qui, nel profondo del ghiaccio, IceCube è in grado di cacciare i neutrini che provengono dal sole, dall'interno della Via Lattea e dall'esterno della galassia. Queste particelle spettrali sono collegate ai raggi cosmici, le particelle di energia più elevate mai osservate.

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Particelle misteriose

I raggi cosmici furono scoperti per la prima volta nel 1912. Le potenti esplosioni di radiazioni si scontrano costantemente con la Terra, fluendo da tutte le parti della galassia. Gli scienziati hanno calcolato che le particelle cariche devono formarsi in alcuni degli oggetti e degli eventi più violenti e meno compresi nell'universo. La morte stellare esplosiva di una stella, una supernova, fornisce un metodo per creare raggi cosmici; i buchi neri attivi al centro delle galassie un altro.

Poiché i raggi cosmici sono costituiti da particelle cariche, tuttavia, interagiscono con i campi magnetici delle stelle e degli altri oggetti che attraversano. I campi deformano e spostano il percorso dei raggi cosmici, rendendo impossibile per gli scienziati risalire alla loro fonte.

È qui che entrano in gioco i neutrini. Come i raggi cosmici, si pensa che le particelle di piccola massa si formino attraverso la violenza. Ma poiché i neutrini non hanno carica, passano attraverso i campi magnetici senza cambiare percorso, viaggiando in linea retta dalla loro sorgente.

"Per questo motivo, la ricerca delle sorgenti dei raggi cosmici è diventata anche la ricerca di neutrini di altissima energia", secondo il sito web di IceCube.

Tuttavia, le stesse caratteristiche che rendono i neutrini così buoni messaggeri significano anche che sono difficili da rilevare. Ogni secondo, circa 100 miliardi di neutrini passano attraverso un pollice quadrato del tuo corpo. La maggior parte di essi proviene dal sole e non ha abbastanza energia per essere identificata da IceCube, ma è probabile che alcuni siano stati prodotti al di fuori della Via Lattea.

Individuare i neutrini richiede l'uso di materiale molto trasparente come acqua o ghiaccio. Quando un singolo neutrino si schianta contro un protone o un neutrone all'interno di un atomo, la reazione nucleare risultante produce particelle secondarie che emettono una luce blu nota come radiazione Cherenkov.

"I neutrini che rileviamo sono come impronte digitali che ci aiutano a capire gli oggetti e i fenomeni in cui vengono prodotti i neutrini", secondo il team di IceCube.

Condizioni difficili

Il Polo Sud potrebbe non essere esterno a Questa Rete, ma porta le sue sfide. Gli ingegneri hanno iniziato la costruzione di IceCube nel 2004, un progetto di sette anni che è stato completato nei tempi previsti nel 2010. La costruzione poteva aver luogo solo per pochi mesi all'anno, durante l'estate dell'emisfero australe, che va da novembre a febbraio.

L'alesaggio di 86 fori richiedeva un tipo speciale di trapano per due, in realtà. Il primo avanzò attraverso il firn, uno strato di neve compatta, fino a circa 50 metri. Quindi un trapano ad acqua calda ad alta pressione si è sciolto attraverso il ghiaccio a velocità di circa 2 metri (6,5 piedi) al minuto, fino alla profondità di 2.450 metri (8.038 piedi o 1,5 miglia).

"Insieme, i due trapani sono stati in grado di produrre costantemente fori verticali quasi perfetti pronti per l'impiego della strumentazione alla velocità di un foro ogni due giorni", secondo IceCube.

Le corde hanno quindi dovuto essere dispiegate rapidamente nell'acqua sciolta prima che il ghiaccio si ricongelasse. Il congelamento ha richiesto alcune settimane per stabilizzarsi, dopodiché gli strumenti sono rimasti intoccabili, permanentemente congelati nel ghiaccio e non riparabili. Il tasso di guasto degli strumenti è stato estremamente lento, con meno di 100 dei 5.500 sensori attualmente non operativi.

IceCube ha iniziato a fare osservazioni dall'inizio, anche mentre venivano schierate altre stringhe.

Quando il progetto è iniziato per la prima volta, i ricercatori non erano chiari su quanto la luce avrebbe viaggiato attraverso il ghiaccio, secondo Halzen. Con queste informazioni ben consolidate, la collaborazione sta lavorando verso IceCube-Gen2. L'osservatorio aggiornato aggiungerebbe circa 80 stringhe di rivelatori in più, mentre la comprensione delle proprietà del ghiaccio consentirà ai ricercatori di posizionare i sensori più ampiamente distanti rispetto alle loro stime conservative originali. IceCube-Gen2 dovrebbe raddoppiare le dimensioni dell'osservatorio per circa lo stesso costo.

Un sensore IceCube, collegato a una "corda", scende in un foro nel ghiaccio antartico. (Credito immagine: NSF/B. Gudbjartsson)

Scienza incredibile

IceCube iniziò a cacciare i neutrini prima che fosse completato, producendo diversi interessanti risultati scientifici lungo il percorso.

Tra maggio 2010 e maggio 2012, IceCube ha osservato 28 particelle ad altissima energia. Halzen ha attribuito la capacità del rivelatore di osservare questi eventi estremi al completamento del rivelatore.

"Questa è la prima indicazione di neutrini ad altissima energia provenienti dall'esterno del nostro sistema solare, con energie superiori a un milione di volte quelle osservate nel 1987 in connessione con una supernova vista nella Grande Nube di Magellano", afferma Halzen in una nota. "È gratificante vedere finalmente ciò che stavamo cercando. Questa è l'alba di una nuova era dell'astronomia".

Nell'aprile 2012, una coppia di neutrini ad alta energia è stata rilevata e soprannominata Bert ed Ernie, in onore dei personaggi del programma televisivo per bambini "Sesame Street". Con energie superiori a 1 petaelettronvolt (PeV), i due sono stati i primi neutrini rilevati definitivamente dall'esterno del sistema solare dalla supernova del 1987.

"Si tratta di una svolta importante", ha affermato Uli Katz, fisico delle particelle presso l'Università di Erlangen-Norimberga, in Germania, che non è stato coinvolto nella ricerca. "Penso che sia una delle maggiori scoperte in assoluto nella fisica delle astroparticelle", ha detto Katz a This Web.com.

Queste osservazioni hanno portato IceCube a ricevere il premio Physics World 2013 Breakthrough of the Year.

Un altro importante risultato è arrivato il 4 dicembre 2012, quando l'osservatorio ha rilevato un evento che gli scienziati hanno chiamato Big Bird, anche lui proveniente da "Sesame Street". Big Bird era un neutrino con un'energia superiore a 2 quadrilioni di elettronvolt, più di un milione di milioni di volte maggiore dell'energia di una radiografia dentale, impacchettata in una singola particella con meno di un milionesimo di massa di un elettrone. A quel tempo, era il neutrino con la più alta energia mai rilevato; a partire dal 2018, è ancora al secondo posto.

Con l'aiuto del telescopio Fermi Gamma-ray This Web della NASA, gli scienziati hanno legato Big Bird allo scoppio altamente energetico di un blazar noto come PKS B1424-418. I Blazar sono alimentati da buchi neri supermassicci al centro di una galassia. Mentre il buco nero divora materiale, parte del materiale viene deviato in getti che trasportano così tanta energia da eclissare le stelle nella galassia. I getti accelerano la materia, creando neutrini e frammenti di atomi che creano alcuni raggi cosmici.

A partire dall'estate del 2012, il blazar brillava tra le 15 e le 30 volte più luminoso nei raggi gamma rispetto alla sua media prima dell'eruzione. Un programma di osservazione a lungo termine chiamato TANAMI, che monitorava regolarmente quasi 100 galassie attive nel cielo meridionale, ha rivelato che il nucleo del jet della galassia si era schiarito quattro volte tra il 2011 e il 2013.

"Nessun'altra delle nostre galassie osservate da TANAMI nel corso del programma ha mostrato un cambiamento così drammatico", ha affermato Eduardo Ros, del Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) in Germania, in una dichiarazione del 2016. Il team ha calcolato che i due eventi erano collegati.

"Tenendo conto di tutte le osservazioni, il blazar sembra aver avuto i mezzi, il motivo e l'opportunità per sparare il neutrino Big Bird, il che lo rende il nostro principale sospettato", ha detto Matthias Kadler, professore di astrofisica all'Università di Wrzburg a Germania."

Nel luglio 2018, IceCube ha annunciato di aver rintracciato per la prima volta i neutrini fino al loro blazar di origine. Nel settembre 2017, grazie a un sistema di allerta appena installato che trasmetteva agli scienziati di tutto il mondo pochi minuti dopo aver rilevato un forte neutrino candidato, i ricercatori sono stati in grado di girare rapidamente i loro telescopi nella direzione in cui ha avuto origine il nuovo segnale. Fermi ha allertato i ricercatori della presenza di un blazar attivo, noto come TXS-0506+056, nella stessa parte del cielo. Nuove osservazioni hanno confermato che il blazar stava divampando, emettendo esplosioni di energia più luminose del solito.

Per la maggior parte, TXS è un tipico blazar; è uno dei 100 blazar più luminosi rilevati da Fermi. Tuttavia, sebbene anche gli altri 99 siano brillanti, non hanno lanciato neutrini verso IceCube. Negli ultimi mesi, TXS si è acceso, schiarito e attenuato fino a cento volte più forte rispetto agli anni precedenti.

"Tracciare quel neutrino ad alta energia rilevato da IceCube fino a TXS 0506+056 rende questa la prima volta che siamo stati in grado di identificare un oggetto specifico come probabile fonte di un neutrino ad alta energia", Gregory Sivakoff, dell'Università dell'Alberta in Canada, ha affermato in una nota.

IceCube non è ancora finito. Il nuovo sistema di allerta manterrà gli astronomi all'erta negli anni futuri. L'osservatorio ha una durata prevista di 20 anni, quindi c'è almeno un altro decennio di incredibili scoperte provenienti dall'osservatorio del Polo Sud.

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