Raggi cosmici e neutrini e dal cosmo

Sino al 1930, del mondo sub-atomico si conoscevano soltanto il protone, l'elettrone e il fotone.

Prima dell'avvento degli acceleratori (verso la fine degli anni '50), lo studio della radiazione ionizzante che bombarda costantemente la superficie terrestre, chiamata radiazione cosmica, contribuì in modo fondamentale alla comprensione del mondo subatomico. L'altissima energia cinetica posseduta dai raggi cosmici (RC) permette infatti la creazione di nuove particelle, tramite la conversione di energia (E) in massa (m), in base alla relazione Einsteiniana E=mc².

Le particelle in arrivo sulla sommità dell'atmosfera sono circa 10⁵ per m² e per secondo, e vengono chiamate RC primari.

Lo studio dell'origine, dei meccanismi di accelerazione e della propagazione dei RC primari è uno dei più affascinanti campi di studio dell'astrofisica e la parte relativa ai neutrini è, come vedremo, di estrema importanza.

Oggi sappiamo che neutrini sono prodotti dai processi di fusione nucleare che mantengono in vita le stelle, dalle esplosioni conseguenti il collasso gravitazionale stellare, dalla interazioni tra particelle cariche accelerate da meccanismi astrofisici, dalla radioattività e dai reattori nucleari presenti sulla Terra (vedere Figura 1).

Tuttavia, il flusso di neutrini in arrivo su una certa superficie decresce molto al crescere della loro energia: occorrono quindi esperimenti di scala gigantesca per potere rivelare i neutrini originati da processi astrofisici di energia estrema.

Il Sole accelera protoni e altri nuclei fino a energie dell'ordine di una decina di GeV (ossia, a energia cinetica pari circa 10 volte quella della massa a riposo del protone). Non sembra esistere un processo dinamico che permetta alle stelle di accelerare RC ad energie molto più grandi. Si pensa quindi che la maggior parte dei RC in arrivo sulla Terra possa essere accelerata sino ad energie di circa un milione di GeV (10¹⁵ eV) da meccanismi che coinvolgono resti di supernovae recenti.

In aggiunta, oggetti specifici nella nostra Galassia (pulsar giovani, o particolari sistemi binari composti da una stella e un buco nero) potrebbero accelerare RC sino a 10¹⁸ -10¹⁹ eV.

Infine, i RC di energia estrema potrebbero essere originati da oggetti extragalattici, quali i nuclei di galassie attivi (AGN), oppure dal meccanismo responsabile dei getti di raggi gamma (gamma-ray burst, GRB). I GRB vengono originati in due tipologie osservativamente differenti: dell'esplosione di una stella gigantesca (GRB detti di lunga durata, generalmente sino qualche decina di secondi); della coalescenza di due oggetti compatti (GRB corti, di durata inferiore a 2 s). In questo ultimo caso, possono essere due stelle di neutroni che si uniscono dopo aver spiraleggiato una attorno all'altra.

FIGURA 1. Flusso dei neutrini, ossia numero di neutrini (in funzione della loro energia) per cm², per secondo, per unità di angolo solido e per MeV di energia in arrivo sulla Terra da fonti naturali e artificiali. Ad esempio, il flusso di neutrini dal Sole integrato su tutte le energie corrisponde a 60 miliardi per secondo per cm². I flussi tratteggiati indicano quelli non ancora rivelati sperimentalmente. Il flusso di neutrini da supernovae (SN) dura solo qualche decina di secondi, ed è stato osservato sinora solo per la SN1987A. I neutrini più abbondanti (di bassissima energia) sono quelli prodotti dal modello cosmologico del Big Bang: questi dovrebbero essere presenti in tutto l’Universo con densità numerica di circa 350 per cm³. Alle energie più elevate, i neutrini cosmogenici sono prodotti dall’interazione di raggi cosmici ultra energetici che si propagano nell’Universo, interagendo con la radiazioni cosmologica di fondo di fotoni a 3 K.

Tuttavia, le prove sperimentali del quadro sinora esposto sono ancora lacunose. Il problema è che la Galassia (e anche le regioni di spazio tra le galassie) ospita campi magnetici che deflettono i RC carichi.

Quindi, osservare la direzione di provenienza di un protone, elettrone o nucleo non permette di individuare la sorgente che lo ha accelerato. Per questo, occorre utilizzare sonde neutre, che non possono essere deflesse dai campi magnetici. Le uniche particelle prive di carica elettrica provviste dalla natura capaci di percorrere regioni dell'universo molto estese sono i fotoni e i neutrini.

Raggi gamma ( così sono chiamati i fotoni di energia estrema) e neutrini  sono prodotti a seguito dell'interazione dei RC con la materia (o il campo di radiazione) in prossimità della sorgente, come illustrato in Figura 2.

Esperimenti che misurano con precisione raggi gamma sono entrati in funzione nell'ultima decade. Fotoni di energia sino a 300 GeV sono rivelati con l'esperimento su satellite Fermi-LAT; quelli da ~100 GeV sino a circa 100 TeV (1 TeV =10³ GeV) sono invece rivelati con particolari telescopi a Terra (esperimenti quali MAGIC, VERITAS, HESS, HAWC e, nel prossimo futuro, CTA).

Uno dei problemi dell'astronomia con raggi gamma, tuttavia, è il fatto che questi possono essere assorbiti dalla materia che si frappone tra la sorgente e la Terra. I neutrini, invece, soffrono molto meno della presenza di materiale assorbente.

FIGURA 2: Interconnessione tra raggi cosmici, raggi gamma e neutrini. Sorgenti astrofisiche possono accelerare RC (protoni, elettroni e nuclei) a enormi energie. Una frazione di queste particelle diffonde all’esterno della regione di accelerazione, si propaga nello spazio galattico (o intergalattico, se la sorgente è esterna alla Galassia) e può giungere sulla Terra. I RC carichi non viaggiano in linea retta a causa delle deflessioni dovute a campi magnetici. La misura della direzione di arrivo dei RC non permette quindi di determinare la posizione della sorgente. Un’altra frazione di protoni (o nuclei) accelerati può invece interagire con la materia o coi campi elettromagnetici che circondano la sorgente. In questo caso, il decadimento di particelle secondarie neutre (principalmente pioni neutri) produce una coppia di due fotoni (raggi gamma), mentre il decadimento di particelle cariche (principalmente pioni positivi oppure pioni negativi) produce neutrini. L’interazione di elettroni con la materia o radiazione produce solo raggi gamma. Quindi, la rivelazione di neutrini dalla direzione di una sorgente è un modo univoco per scoprire quali sono le sorgenti acceleratrici di protoni e nuclei.

Una delle caratteristiche generali dei meccanismi di accelerazione astrofisici a cui sono sottoposte particelle cariche e stabili (ossia: protoni, elettroni e nuclei) è che il loro numero decresce al crescere dell’energia. Questo è vero non solo per le particelle direttamente accelerate, ma anche per quelle secondarie (quali i raggi gamma e i neutrini) prodotte dalla loro interazione.

Il modello matematico (sviluppato da una originale idea di E. Fermi) prevede che il numero N di particelle accelerate con una certa energia E in prossimità di una sorgente decresca come

dN/dE ~ E^-Γ , con Γ~ 2.

La stessa cosa vale per le particelle secondarie: il loro numero decresce con una identica dipendenza dall'energia dei primari, ossia E^-2. Infine, poiché i neutrini non sono deflessi o assorbiti durante la propagazione, ci si aspetta che il loro flusso sulla Terra segua lo spesso andamento energetico. Il flusso dei neutrini astrofisici mostrato in Figura 1 decresce come E^-2.