I telescopi di neutrini in funzione

Tenendo conto del fondo dovuto ai RC secondari (principalmente muoni) che si propagano verso il basso e dei neutrini atmosferici in arrivo da tutte le direzioni, neutrini di origine astrofisica possono essere selezionati in tre modalità:

•  evidenziando un eccesso di eventi da una posizione nel cielo, usando prevalentemente da direzione ricostruita delle tracce dovute al passaggio di muoni provenienti dal basso;
• evidenziando un eccesso di eventi di più alta energia rispetto a quanto aspettato nei neutrini atmosferici, prevalentemente usando gli eventi che inducono cascate. In questo caso, anche eventi provenienti dall’alto possono essere studiati;
• selezionando eventi in coincidenza con altri segnali, dovuti a raggi gamma, onde gravitazionali o altro (metodo multi-messaggero).

 Attualmente, i tre telescopi di neutrini in funzione nel mondo sono IceCube in Antartide, GVD in Siberia e ANTARES nel mar Mediterraneo.

FIGURA : Disegno del telescopio di neutrini sottomarino ANTARES. Esso consiste di 875 PMT, raggruppati in tripletti (storey), fissati a 12 stringhe, ciascuna con un cavo elettro-ottico. Uno di questi storey è mostrato nell'inserto. L'orientazione dei PMT è stata scelta per ottimizzare la rivelazione di neutrini provenienti dal basso. I cavi, saldamente ancorati sul fondo del mare e tenuti in tensione da apposite boe in cima, svolgono il triplo ruolo di reggere meccanicamente i PMT, di fornire ai medesimi e all'elettronica associata la tensione elettrica necessaria e di trasmettere verso la stazione di controllo posta a terra i segnali registrati dai PMT. A tale scopo è adoperato un cavo sottomarino primario, lungo circa 40 km che si connette alla junction box.

ANTARES, costruito tra il 2006 e il 2008, è mantenuto in funzione da una collaborazione di istituzioni e università europee ed è installato al largo di Tolone (Francia) a circa 40 km dalla costa, ad una profondità di 2400 metri (Figura 6).

L'installazione e le eventuali operazioni di riparazione del rivelatore richiedono l'utilizzo di navi e di sottomarini teleguidati. I PMT sono racchiusi in sfere di vetro resistenti alla pressione (che arriva a 250 atmosfere alla profondità massima). Le correnti marine possono spostare lateralmente le boe e quindi tutti i PMT, anche di diverse decine di metri.

Le procedure per determinare il corretto posizionamento dei sensori istante per istante e quelle di calibrazione assumono per tale esperimento importanza fondamentale. Infine, la radioattività nell'acqua di mare e la presenza (anche a grandi profondità) di organismi marini che emettono piccoli impulsi luminosi rappresentano difficoltà addizionali per l'elettronica di selezione del segnale e il sistema di acquisizione dati.

ANTARES ha dimostrato che si possono vincere tutte le difficoltà tecniche che si sono presentate nella realizzazione e nel funzionamento di un telescopio di neutrini nelle profondità marine. Completato nel 2008, il telescopio ha continuamente preso dati, studiano il cielo Sud con alta efficienza. Il suo spegnimento è previsto per la fine del 2020, in concomitanza dell’avvento di KM3NeT (vedi avanti).

L'esperimento IceCube (Figura sottostante), condotto da una collaborazione internazionale con prevalenza statunitense, è stato installato sotto i ghiacci del Polo Sud tra il 2005 ed il 2010, a una profondità che va da 1450 a 2450 metri. Utilizza più di 5000 PMT, distribuiti su 86 stringhe lunghe circa 1000 m. Le stringhe sono state posizionate dopo aver creato fori nel ghiaccio con getti di acqua calda.  La posizione delle stringhe è quindi fissata una volta per tutte e nessuna operazione di recupero/riparazione è possibile. Non sono necessarie (a differenza di esperimenti sottomarini) procedure di calibrazione per il posizionamento dei PMT. Inoltre il ghiaccio ha una trasparenza maggiore di quella dell'acqua, ha una contaminazione di elementi radioattivi trascurabile e non ha bioluminescenza.

Tuttavia, minuscole bolle presenti nel ghiaccio aumentano la probabilità che la luce Cherenkov sia deflessa, peggiorando rispetto l'acqua la precisione nella misura della direzione delle tracce dei muoni.

FIGURA: Schema del rivelatore Icecube al Polo Sud. Oltre una matrice di rivelatori sotto il ghiaccio, sono visibili anche dei rivelatori posti sopra la superficie. Nella foto a destra: uno dei buchi perforati nel ghiaccio con l'inserimento della stringa di PMT.

Infine, l’esperimento GVD nel lago Baikal in Siberia è un esperimento in prevalenza russo e attualmente in fase di avanzata costruzione; la massima profondità delle acque del lago è di circa 1000 metri. Le caratteristiche del rivelatore, unite alla scarsa profondità del sito e la mediocre trasparenza delle acque lacustri, permetteranno la rivelazione di neutrini di energia molto elevata ma con scarsa precisione nella determinazione della direzione di provenienza.