Esperimenti per la rivelazione di neutrini di energia elevatissima

L'idea per la realizzazione di quelli che oggi chiamiamo telescopi di neutrini fu del russo M.A. Markov, che all'inizio degli anni '60 propose di porre un numero molto elevato di rivelatori ottici, ossia fotomoltiplicatori (PMT), sotto un grande spessore di acqua marina o di un lago, attrezzando un volume dell'ordine di 1 km³. L'acqua avrebbe fornito il mezzo (gratuito) in cui i neutrini di altissima energia avrebbero interagito. Inoltre, poiché l'acqua (e il ghiaccio a grande profondità in Antartide) è trasparente, la luce emessa per effetto Cherenkov dalle particelle cariche prodotte dall'interazione sarebbe stata raccolta dai PMT. Infine, ponendo la strumentazione in profondità, si avrebbe avuto la schermatura necessaria per ridurre di molti ordini di grandezza la radiazione di luce solare e il flusso dei RC secondari.

La superficie della Terra (e tutti noi) è bombardata dalle particelle prodotte dai raggi cosmici primari nell'interazione coi nuclei dell'atmosfera. Queste particelle complessivamente costituiscono i raggi cosmici secondari. Le particelle secondarie in arrivo al livello del mare sono ridotte di un fattore circa 1000 rispetto al numero di primari in arrivo sulla sommità dell'atmosfera.

Per ridurre ulteriormente il flusso di particelle ionizzanti in un rivelatore occorre andare in profondità. L'acqua, il ghiaccio oppure il terreno e la roccia terrestre provvedono a ridurre ulteriormente il fondo dovuto ai RC secondari.

Per questo motivo, tutti gli esperimenti per lo studio dei neutrini e che richiedono un bassissimo fondo di radiazione ambientale, sono disposti in profondità.

La sfida offerta da questa proposta dal punto sperimentale è enorme. Occorre disporre di un numero di rivelatori ottici almeno pari a quelli di Super-Kamiokande (circa 10000), ma lungo stringhe o torri di 1 km di lunghezza e da immergere in profondità (Figura sotto).

Per avere una idea, se si vuole rendere attivo il volume di 1 km³ di acqua disponendo una griglia di 10000 PMT egualmente distanziati, la loro distanza deve essere di circa 50 m uno dall'altro.

Crediti: Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo.

FIGURA: A sinistra una foto dell’esperimento Super-Kamiokande. È un cilindro di 39 m di diametro e 42 m di altezza riempito di acqua purificata. Circa 11000 fotomoltiplicatori (PMT) di quasi 70 cm di diametro ricoprono circa il 40% della superficie interna del cilindro. Quando una particella carica attraversa l'acqua, viene indotta luce Cherenkov; la luce, giungendo sui PMT produce un segnale elettrico proporzionale alla sua intensità. Analizzando i PMT interessati dallo stesso evento, è possibile ricostruire se la particella prodotta dal neutrino è un elettrone o un muone, la sua direzione e la sua energia. La foto è stata scattata durante la fase di riempimento, con dei tecnici che controllano i PMT per mezzo di un canotto. Super-Kamiokande ha rivelato neutrini di energia del MeV dal Sole, e neutrini di origine atmosferica dal GeV a centinaia di GeV. Poiché il flusso di neutrino decresce con l’energia (schema sovrapposto alla foto) per rivelare neutrini di energia elevatissima occorrono rivelatori giganteschi, inserendo i PMT nell’acqua del mare o del ghiaccio antartico. Lo schema del telescopio di neutrini KM3NeT è mostrato a destra. In questa scala, Super-Kamiokande è un cilindro di piccole dimensioni rispetto all’altezza di una stringa (1 km circa).

Un primo tentativo per far funzionare una stringa sott'acqua iniziò negli anni '80 con una collaborazione russo-americana (DUMAND), che cercò di realizzare un esperimento a 4.5 km di profondità nel Pacifico, al largo delle isole Hawaii.

La tecnologia sottomarina dell'epoca non era sufficientemente avanzata e il tentativo fallì. In seguito, gli americani iniziarono a costruire un telescopio di neutrini sotto il ghiaccio dell'Antartide (lo spessore di ghiaccio è di circa 2.5 km), mentre i russi iniziarono gli studi per la realizzazione di un telescopio nel lago Baikal, alla profondità di 1.1 km. Per loro conto, gli europei avevano intanto iniziato le attività di ricerca e sviluppo per costruire un rivelatore nel mar Mediterraneo.

Ci si aspetta che le sorgenti astrofisiche, tenendo conto della loro distanza e delle oscillazioni dei neutrini, inviino sulla Terra in egual numero neutrini di tipo elettronico, munico e tauonico e  (e i rispettivi antineutrini). Alle altissime energie, essi possono interagire indifferentemente su protoni e neutroni del mezzo. Quando interagiscono attraverso le cosiddette interazioni a corrente carica (CC), nello stato finale viene prodotto il corrispondente leptone carico (ossia, un elettrone nel caso del neutrino elettronico oppure un muone nel caso di un neutrino muonico). Questo trasporta in media oltre il 50% dell'energia del neutrino incidente, mentre la rimanente energia è usata per creare molte particelle adroniche, ossia composte da quark.

FIGURA: Interazioni dei neutrini che danno due diverse tipologie di eventi nei telescopi: interazione a corrente carica di un neutrino muonico con produzione di un muone (a sinistra) e interazione a corrente carica di un neutrino elettronico con produzione di un elettrone che induce una cascata di particelle secondarie. Le interazioni a corrente neutra e producono anch’esse cascate. Ogni punto rappresenta un modulo ottico (OM), ciascuno distanziato circa 100 m dall’altro. In grigio, gli OM non interessati dall’evento. I colori riportano la sequenza temporale dei OM accesi: il colore rosso indica l’inizio dell’evento. I due eventi sono il risultato di una simulazione in un esperimento delle dimensioni di 1 km³ di volume (KM3NeT).

Analizziamo ora, riferendoci alla Figura 5, le due diverse topologie di eventi in un telescopio di neutrini. A destra, l'elettrone prodotto dal _e è un particella leggera ed estremamente energetica che emette radiazione di frenamento (chiamata tecnicamente bremsstrahlung). In breve, si viene a creare una cascata di un numero elevatissimo di raggi gamma, elettroni e positroni, chiamata cascata elettromagnetica, che si sviluppa in una regione di spazio che si estende in acqua per una decina di metri. Il numero di particelle nella cascata è proporzionale all'energia dell’elettrone, e quindi proporzionale all'energia del neutrino incidente. Le particelle cariche producono luce Cherenkov e una piccola frazione della luce emessa viene raccolta dai PMT. Complessivamente, questa cascata può essere approssimata come un ellissoide di dimensioni molto minore della distanza tra i sensori ottici del telescopio. I segnali raccolti da tutti i PMT coinvolti nell'evento vengono usati per ricostruire l'energia del neutrino (proporzionale alla quantità di luce raccolta) e la sua direzione di provenienza.

Quindi, gli eventi che inducono una cascata permettono di stimare piuttosto accuratamente l'energia del neutrino; la direzione di provenienza è ricostruita più approssimativamente, con precisione di 3^o-4^o nei casi migliori.

Nel caso di un muone (a sinistra nella figura) prodotto dal neutrino muonico la situazione è completamente differente. Il muone (la cui massa è oltre 200 volte maggiore di quella dell’elettrone) emette molto meno radiazione di frenamento e può propagarsi praticamente lungo una retta per distanze anche dell'ordine di parecchi chilometri. Durante la propagazione, il muone emette luce Cherenkov che viene raccolta da diversi PMT disposti in prossimità del suo passaggio. I segnali permettono di ricostruire con relativa precisione la direzione del muone (e quindi del neutrino che lo ha prodotto), arrivando a precisioni di 0.2^o-0.3^o. Viceversa, l'energia del neutrino viene stimata con accuratezza inferiore rispetto al caso della cascata elettromagnetica.

 Il tau prodotto dal neutrino tauonico ha una situazione ibrida tra i due casi precedenti: in talune situazioni può essere visto principalmente tramite la cascata elettromagnetica; in altre, poiché il tau ha un comportamento analogo al muone, può essere visto come una traccia. Poiché non ci aspettiamo neutrini tauonici tra i neutrini di origine terrestre, l’osservazione (peraltro, molto difficile) di tale tipo di neutrino sarebbe indicazione sicura di una origine astrofisica.

Infine, neutrini di tutti e tre i sapori possono interagire con protoni e neutroni dei nuclei in un processo detto a corrente neutra (NC) in cui parte dell'elevata energia del neutrino è usata per creare molti adroni.

La maggior parte di queste particelle sono instabili e decadono in altre particelle. Tutto questo produce una cascata di adroni (identica per i tre tipi di neutrini) che ha caratteristiche molto simili a quella prodotta da elettroni.

Per l'astronomia di neutrini, ossia la possibilità di identificare con precisione la posizione delle sorgenti, l'osservazione dei muoni prodotti dal basso verso l’alto da interazioni di neutrino-pione  rappresenta quindi il canale privilegiato. Solo i neutrini, infatti, possono attraversare la Terra senza essere sensibilmente assorbiti, e le tracce dovute al passaggio di un muone vengono ricostruite con la migliore risoluzione angolare possibile per questo tipo di esperimenti. Tuttavia, anche negli eventi verso l'alto, è presente il fondo irriducibile dovuto ai neutrini atmosferici.