Una nuova mappa dell'universo, dipinta con neutrini cosmici | Rivista Quanta

Dei 100 trilioni di neutrini che ti attraversano ogni secondo, la maggior parte proviene dal sole o dall'atmosfera terrestre. Ma un'infarinatura di particelle - quelle che si muovono molto più velocemente delle altre - è arrivata qui da potenti fonti più lontane. Per decenni gli astrofisici hanno cercato l'origine di questi neutrini "cosmici". Ora, l'Osservatorio dei neutrini di IceCube ne ha finalmente raccolti abbastanza per rivelare schemi rivelatori da dove provengono.

In un articolo pubblicato oggi in Scienze, il team ha rivelato la prima mappa della Via Lattea nei neutrini. (Di solito la nostra galassia è mappata con fotoni, particelle di luce.) La nuova mappa mostra una foschia diffusa di neutrini cosmici emanati da tutta la Via Lattea, ma stranamente nessuna singola fonte si distingue. «È un mistero», disse Francesco Halzen, che guida IceCube.

I risultati seguono un Studio IceCube dello scorso autunno, anche in Scienze, che fu il primo a connettere i neutrini cosmici a una sorgente individuale. Ha mostrato che una grossa fetta dei neutrini cosmici rilevati finora dall'osservatorio proveniva dal cuore di una galassia "attiva" chiamata NGC 1068. Nel nucleo incandescente della galassia, la materia si muove a spirale in un buco nero supermassiccio centrale, creando in qualche modo neutrini cosmici nel processo.

"È davvero gratificante", ha detto Kate Scholberg, un fisico dei neutrini della Duke University che non era coinvolto nella ricerca. «Hanno effettivamente identificato una galassia. Questo è il genere di cose che l'intera comunità di astronomia dei neutrini cerca di fare da sempre".

Individuare le sorgenti di neutrini cosmici apre la possibilità di utilizzare le particelle come una nuova sonda della fisica fondamentale. I ricercatori hanno dimostrato che i neutrini possono essere utilizzati per aprire crepe nel modello standard regnante della fisica delle particelle e persino testare le descrizioni quantistiche della gravità.

Eppure identificare l'origine di almeno alcuni neutrini cosmici è solo un primo passo. Poco si sa su come l'attività attorno ad alcuni buchi neri supermassicci generi queste particelle, e finora le prove indicano molteplici processi o circostanze.

Origine a lungo cercata

Per quanto abbondanti, i neutrini di solito sfrecciano attraverso la Terra senza lasciare traccia; è stato necessario costruire un rilevatore magnificamente enorme per rilevarne un numero sufficiente per percepire i modelli nelle direzioni da cui provengono. IceCube, costruito 12 anni fa, è costituito da stringhe di rivelatori lunghe un chilometro scavate in profondità nel ghiaccio antartico. Ogni anno, IceCube rileva una dozzina di neutrini cosmici con un'energia così elevata che si stagliano chiaramente contro una foschia di neutrini atmosferici e solari. Analisi più sofisticate possono estrarre ulteriori neutrini cosmici candidati dal resto dei dati.

Gli astrofisici sanno che tali neutrini energetici potrebbero sorgere solo quando nuclei atomici in rapido movimento, noti come raggi cosmici, entrano in collisione con materiale da qualche parte nello spazio. E pochissimi posti nell'universo hanno campi magnetici abbastanza forti da portare i raggi cosmici a energie sufficienti. I lampi di raggi gamma, lampi di luce ultraluminosi che si verificano quando alcune stelle diventano supernove o quando le stelle di neutroni entrano a spirale l'una nell'altra, sono state a lungo considerate una delle opzioni più plausibili. L'unica vera alternativa erano i nuclei galattici attivi, o AGN, galassie i cui buchi neri supermassicci centrali espellono particelle e radiazioni mentre la materia vi cade dentro.

La teoria dei lampi di raggi gamma ha perso terreno nel 2012, quando gli astrofisici si sono resi conto che se questi lampi luminosi fossero responsabili, ci aspetteremmo di vedere molti più neutrini cosmici di noi. Tuttavia, la controversia era tutt'altro che risolta.

Quindi, nel 2016, IceCube ha iniziato a inviare avvisi ogni volta che rilevava un neutrino cosmico, spingendo altri astronomi ad addestrare i telescopi nella direzione da cui proveniva. Il settembre successivo, provvisoriamente ha confrontato un neutrino cosmico con una galassia attiva chiamata TXS 0506+056, o TXS in breve, che emetteva bagliori di raggi X e raggi gamma contemporaneamente. "Questo ha sicuramente suscitato molto interesse", ha detto Marco Santander, un collaboratore di IceCube presso l'Università dell'Alabama.

Furono raccolti sempre più neutrini cosmici e un'altra macchia di cielo iniziò a risaltare sullo sfondo dei neutrini atmosferici. Al centro di questa macchia si trova la vicina galassia attiva NGC 1068. La recente analisi di IceCube mostra che questa correlazione è quasi certamente uguale alla causalità. Come parte dell'analisi, gli scienziati di IceCube hanno ricalibrato il loro telescopio e hanno utilizzato l'intelligenza artificiale per comprendere meglio la sua sensibilità a diverse zone di cielo. Hanno scoperto che c'è meno di 1 possibilità su 100,000 che l'abbondanza di neutrini provenienti dalla direzione di NGC 1068 sia una fluttuazione casuale.

La certezza statistica che TXS sia una fonte di neutrini cosmici non è molto lontana e, a settembre, IceCube ha registrato un neutrino probabilmente nelle vicinanze di TXS che non è stato ancora analizzato.

“Eravamo parzialmente ciechi; è come se avessimo focalizzato l'attenzione”, ha detto Halzen. “La gara era tra lampi di raggi gamma e galassie attive. Quella gara è stata decisa.

Il meccanismo fisico

Questi due AGN sembrano essere le sorgenti di neutrini più luminose nel cielo, eppure, stranamente, sono molto diverse. TXS è un tipo di AGN noto come blazar: spara un getto di radiazione ad alta energia direttamente verso la Terra. Eppure non vediamo nessun getto di questo tipo puntare verso di noi da NGC 1068. Ciò suggerisce che diversi meccanismi nel cuore delle galassie attive potrebbero dare origine a neutrini cosmici. "Le fonti sembrano essere più diverse", ha detto Giulia Tjus, astrofisico teorico presso la Ruhr University di Bochum in Germania e membro di IceCube.

Halzen sospetta che ci sia del materiale attorno al nucleo attivo in NGC 1068 che blocca l'emissione di raggi gamma durante la produzione di neutrini. Ma il meccanismo preciso è indovinato da chiunque. "Sappiamo molto poco sui nuclei delle galassie attive perché sono troppo complicati", ha detto.

I neutrini cosmici originati nella Via Lattea confondono ulteriormente le cose. Non ci sono fonti ovvie di tali particelle ad alta energia nella nostra galassia, in particolare nessun nucleo galattico attivo. Il nucleo della nostra galassia non si muove da milioni di anni.

Halzen ipotizza che questi neutrini provengano da raggi cosmici prodotti in una fase precedente e attiva della nostra galassia. "Ci dimentichiamo sempre che stiamo guardando un momento nel tempo", ha detto. "Gli acceleratori che hanno prodotto questi raggi cosmici potrebbero averli prodotti milioni di anni fa."

Ciò che risalta nella nuova immagine del cielo è l'intensa luminosità di sorgenti come NGC 1068 e TXS. La Via Lattea, piena di stelle vicine e gas caldo, eclissa tutte le altre galassie quando gli astronomi osservano con i fotoni. Ma quando viene visto nei neutrini, "la cosa sorprendente è che riusciamo a malapena a vedere la nostra galassia", ha detto Halzen. "Il cielo è dominato da sorgenti extragalattiche."

Mettendo da parte il mistero della Via Lattea, gli astrofisici vogliono utilizzare le fonti più lontane e luminose per studiare la materia oscura, la gravità quantistica e le nuove teorie sul comportamento dei neutrini.

Sondaggio della fisica fondamentale

I neutrini offrono rari indizi che una teoria più completa delle particelle deve sostituire l'insieme di equazioni vecchio di 50 anni noto come Modello standard. Questo modello descrive le particelle elementari e le forze con una precisione quasi perfetta, ma sbaglia quando si tratta di neutrini: prevede che le particelle neutre siano prive di massa, ma non lo sono, non del tutto.

I fisici hanno scoperto nel 1998 che i neutrini possono cambiare forma tra i loro tre diversi tipi; un neutrino elettronico emesso dal sole può trasformarsi in un neutrino muonico quando raggiunge la Terra, per esempio. E per cambiare forma, i neutrini devono avere massa: le oscillazioni hanno senso solo se ogni specie di neutrino è una miscela quantistica di tre masse diverse (tutte molto piccole).

Dozzine di esperimenti hanno permesso ai fisici delle particelle di costruire gradualmente un quadro dei modelli di oscillazione di vari neutrini: solari, atmosferici, prodotti in laboratorio. Ma i neutrini cosmici originati dagli AGN offrono uno sguardo al comportamento oscillatorio delle particelle su distanze ed energie molto maggiori. Questo li rende "una sonda molto sensibile alla fisica che va oltre il Modello standard", ha detto Carlo Arguelles-Sottile, un fisico dei neutrini dell'Università di Harvard che fa anche parte della tentacolare collaborazione IceCube.

Le sorgenti di neutrini cosmici sono così lontane che le oscillazioni dei neutrini dovrebbero essere offuscate: ovunque guardino gli astrofisici, si aspettano di vedere una frazione costante di ciascuno dei tre tipi di neutrini. Qualsiasi fluttuazione in queste frazioni indicherebbe che i modelli di oscillazione dei neutrini devono essere ripensati.

Un'altra possibilità è che i neutrini cosmici interagiscano con la materia oscura mentre viaggiano, come previsto da molti modelli del settore oscuro. Questi modelli propongono che la materia invisibile dell'universo sia costituita da più tipi di particelle non luminose. Le interazioni con queste particelle di materia oscura disperderebbero neutrini con energie specifiche e creare un divario nello spettro dei neutrini cosmici che vediamo.

Oppure la stessa struttura quantistica dello spazio-tempo può trascinare i neutrini, rallentandoli. Un gruppo con sede in Italia di recente argomentato Astronomia naturale che i dati di IceCube mostrano indizi di ciò che sta accadendo, ma altri fisici sono stati scettici di queste affermazioni.

Effetti come questi sarebbero minimi, ma le distanze intergalattiche potrebbero amplificarli a livelli rilevabili. "Questo è sicuramente qualcosa che vale la pena esplorare", ha detto Scholberg.

Già, Argüelles-Delgado e collaboratori hanno utilizzato lo sfondo diffuso dei neutrini cosmici - piuttosto che fonti specifiche come NGC 1068 - per cercare prove della struttura quantistica dello spazio-tempo. Come loro segnalato in Fisica della natura in ottobre non hanno trovato nulla, ma la loro ricerca è stata ostacolata dalla difficoltà di distinguere la terza varietà di neutrino - tau - da un neutrino elettronico nel rivelatore IceCube. Ciò che serve è "una migliore identificazione delle particelle", ha affermato il coautore Teppei Katori del King's College di Londra. La ricerca è in corso per districare i due tipi.

Katori afferma che conoscere posizioni e meccanismi specifici delle sorgenti di neutrini cosmici offrirebbe un "grande salto" nella sensibilità di queste ricerche di nuova fisica. La frazione esatta di ogni tipo di neutrino dipende dal modello sorgente, ei modelli più popolari, per caso, prevedono che un numero uguale delle tre specie di neutrini arriverà sulla Terra. Ma i neutrini cosmici sono ancora così poco conosciuti che qualsiasi squilibrio osservato nelle frazioni dei tre tipi potrebbe essere frainteso. Il risultato potrebbe essere una conseguenza della gravità quantistica, della materia oscura o di un modello di oscillazione del neutrino rotto, o semplicemente della fisica ancora sfocata della produzione di neutrini cosmici. (Tuttavia, alcuni rapporti sarebbero una firma "pistola fumante" della nuova fisica, ha detto Argüelles-Delgado.)

Alla fine, abbiamo bisogno di rilevare molti più neutrini cosmici, ha detto Katori. E sembra che lo faremo. IceCube verrà aggiornato e ampliato a 10 chilometri cubi nei prossimi anni e, in ottobre, un rilevatore di neutrini sotto il lago Baikal in Siberia pubblicato la sua prima osservazione di neutrini cosmici da TXS.

E nel profondo del Mediterraneo, dozzine di stringhe di rivelatori di neutrini chiamati collettivamente KM3Net vengono fissati sul fondo del mare da un robot sommergibile per offrire una visione complementare del cielo dei neutrini cosmici. “Le pressioni sono enormi; il mare è molto spietato”, ha detto Paschal Coyle, direttore della ricerca presso il Marseille Particle Physics Center e portavoce dell'esperimento. Ma "abbiamo bisogno di più telescopi che scrutino il cielo e di più osservazioni condivise, cosa che sta arrivando ora".