I neutrini astrofisici osservati da IceCube

IceCube ha recentemente osservato neutrini di origine astrofisica.

Come abbiamo detto, i neutrini atmosferici (originati cioè dall'interazione dei raggi cosmici con i nuclei dell'atmosfera) rappresentano un fondo irriducibile. Riferendoci alla figura a lato, ci si aspetta che il numero di neutrini atmosferici decresca con l'energia come E^-3.7; i neutrini cosmici come E^-2.

Quindi, oltre una certa energia di soglia (posta attorno qualche decina di TeV), i neutrini cosmici dovranno eccedere quelli atmosferici. Si tratta quindi di individuare e utilizzare qualche grandezza osservabile che permetta una stima dell'energia del neutrino incidente, e confrontare gli eventi misurati col fondo. Un eccesso negli eventi misurati è una indicazione di un flusso di neutrini extraterrestri. 

IceCube ha evidenziato un eccesso di eventi sopra il fondo dei neutrini atmosferici in due campioni indipendenti di eventi.

Il primo campione (denominato HESE, ossia High Energy Starting Events) è rappresentato dai neutrini che interagiscono in una regione fiduciale, interna al rivelatore. Gli strati esterni di IceCube sono usati come veto per i muoni atmosferici. Un evento che appare nel rivelatore senza essere visibilmente entrato (non rivelato dal veto) rappresenta l'arrivo di un neutrino, che interagisce poi all'interno del rivelatore trasformandosi in un leptone carico.

In questa tipologia di eventi, nei dati raccolti a partire dal 2010 per un totale di circa 7.5 anni di presa dati, si evince un eccesso di eventi quando l'energia depositata è >30 TeV (Figura in basso a  sinistra). La gran parte di questi eventi sono del tipo cascata, e hanno una precisione nella ricostruzione angolare peggiore di 10^o.

Probabilmente anche per questo motivo, non si è evidenziato nel campione sinora raccolto alcun eccesso da qualche direzione particolare. La seconda tipologia in cui IceCube ha evidenziato un eccesso di eventi (Figura in basso a destra) è quella che utilizza neutrini muonici che producono una traccia passante. Questi eventi sono selezionati diretti verso l'alto e quindi (vista la posizione di IceCube al Polo Sud) provenienti dall'emisfero Nord del cielo. La precisione nella determinazione della direzione originaria del neutrino è, in questo caso, dell'ordine o migliore di 1°.

Tra i due campioni di eventi astrofisici vi è una discrepanza nella dipendenza dall'energia, che viene ottenuta dal migliore adattamento dei dati con una curva teorica del tipo E^-G. Nel campione di sinistra  gran parte degli eventi sono del tipo cascata e la dipendenza con l'energia ricostruita ha  Nel campione di destra gli eventi sono provenienti dal cielo Nord, e il migliore adattamento con l'energia ricostruita ha  

Per questa discrepanza, sono possibili diverse interpretazioni:

• essa è semplicemente dovuta a una fluttuazione statistica, che scomparirà all'aumentare del numero di eventi;
• è un effetto del fatto che nel primo campione sono dominanti i neutrini elettronici, (eventi cascata) e nel secondo i neutrini muorici (eventi con traccia);
• è un effetto dovuto al fatto che nel primo campione vi sono eventi sia dal cielo Nord che dal cielo Sud, mentre nel secondo solo eventi dal cielo Nord.

Figura di Sinistra: Spettro dell'energia depositata dagli eventi denominati HESE osservati nel volume fiduciale di IceCube. In questo campione, il neutrino osservato può provenire sia dal cielo Nord che da quello Sud. I punti in nero, con barra d'errore statistico, sono i dati acquisiti in 7.5 y. Il numero di eventi aspettati dai neutrini atmosferici sono rappresentati con l'istogramma in rosso; i muoni atmosferici con l'istogramma viola. La componente in giallo è la stima del numero di neutrini di origine cosmica, particolarmente evidente sopra 60 TeV. La dipendenza energetica trovata per questi ultimi è del tipo E^-2.9.

Figura di Destra: Spettro in funzione dello stimatore dell'energia dei muoni verso l'alto (quindi provenienti dal cielo Nord) misurati in IceCube in 10 anni. I punti in nero sono i dati, mentre le componenti dovute ai neutrini atmosferici e il contributo calcolato per i neutrini di origine astrofisica sono riportati con linea continua. In questo caso, la dipendenza dall'energia del segnale cosmico è del tipo E^-2.2.

L'ultima ipotesi è particolarmente attraente, in quanto il piano della Via Lattea è situato in prevalenza nel cielo Sud. L'emisfero Nord contiene solo una piccola parte del piano galattico.

Quindi, mentre i neutrini provenienti dell'emisfero Nord potrebbero avere origine prevalentemente extra-galattica, i neutrini provenienti dal cielo Sud potrebbero avere una composizione mista, galattica ed extra-galattica. La sovrapposizione di due componenti potrebbe portare ad un eccesso di eventi con diverso indice spettrale nei due campioni di dati analizzati. 

La discriminazione tra le tre menzionate ipotesi potrà risolversi solo con l'aumento del numero di eventi raccolti da IceCube e, soprattutto, con gli eventi misurati dal telescopio in costruzione KM3NeT.

Questo infatti avrà intrinsecamente una sensibilità almeno paragonabile a quella di IceCube, una migliore visibilità dell'emisfero Sud celeste (col piano della Galassia) e una migliore risoluzione angolare per la misura degli eventi di tipo traccia.

Infine, un altro metodo che si sta imponendo per migliorare la comprensione complessiva dei fenomeni in studio, è quello dell’astrofisica multi-messaggera (multimessenger).