Ogni secondo, 100 trilioni di neutrini attraversano il corpo umano. Questi piccoli, quasi senza massa
I neutrini sono il nome generale del neutroparticelle fondamentali con spin semiintero, partecipanti solo alle interazioni deboli e gravitazionali e appartenenti alla classe dei leptoni. Attualmente si conoscono tre tipi di neutrini: neutrini elettronici, muonici e tauonici, nonché le loro corrispondenti antiparticelle.
I neutrini vengono prodotti in molti processi, ad esempio,durante le reazioni termonucleari all'interno delle stelle e durante le esplosioni di supernova. Il problema è che queste particelle sono incredibilmente difficili da rilevare. Ciò richiede un rilevatore unico nel suo genere in grado di rilevarli.
Dove si trovano i neutrini?
Costruzione dell'osservatorio di neutrini IceCubeal Polo Sud è stato ufficialmente completato il 18 dicembre 2010. È stato sviluppato per cercare neutrini cosmici ad alta energia. Il rilevatore stesso è costituito da 5.160 sensori ottici – moduli ottici digitali (DOM) – posizionati in un chilometro cubo di ghiaccio antartico.
Come si manifesta un neutrino?
Quando un neutrino interagisce con una molecola di ghiaccio,le particelle cariche secondarie risultanti emettono luce blu attraverso un processo noto come radiazione Cherenkov. La luce passa quindi attraverso il ghiaccio e potrebbe raggiungere alcuni DOM. Di conseguenza, i ricercatori ricostruiscono l’energia e la direzione della particella. Questo processo si basa sulla conoscenza delle proprietà ottiche del ghiaccio. Tuttavia, una volta questa manifestazione dei neutrini ha sorpreso molto gli scienziati.
La radiazione Cherenkov è una forma di energiache può essere osservato come un bagliore blu causato dalle particelle cariche che compongono gli atomi (elettroni e protoni) che si muovono in un determinato ambiente a velocità superiori a quella della luce.
Fenomeno Unico
Nel 2013, dipendenti della collaborazione IceCubeosservato un fenomeno unico in cui la luminosità osservata della sorgente luminosa dipendeva dalla direzione della luce. L'effetto è noto come anisotropia ottica del ghiaccio. Finora i ricercatori hanno tentato di descrivere l’anisotropia utilizzando le variazioni nell’assorbimento e nella dispersione causate dalle impurità, ma senza successo.
L'anisotropia è la differenza nelle proprietà di un mezzo in diversiindicazioni all'interno di questo ambiente; al contrario dell'isotropia. Rispetto ad alcune proprietà, il mezzo può essere isotropo e rispetto ad altre anisotropo; anche il grado di anisotropia può variare.
In un nuovo studio pubblicatoNella rivista The Cryosphere, lo staff di IceCube lo ha spiegato. Si è scoperto che appariva come risultato delle proprietà birifrangenti dei cristalli di ghiaccio allungati, che piegano la luce in due direzioni. In altre parole, senza birifrangenza, la luce proviene radialmente da una sorgente luminosa isotropa e, con doppia rifrazione, devia lentamente verso l'asse del “flusso” di ghiaccio.
Illustrazione che mostra una nuova aperturaeffetto ottico: senza birifrangenza (in alto), la luce viene emessa radialmente da una sorgente luminosa isotropa. Con la birifrangenza (in basso), la luce viene lentamente deviata verso l'asse del flusso di ghiaccio.
Credito: collaborazione Jack Pyrin/IceCube
Questa scoperta è stata utilizzata per crearne una nuovamodello ottico del ghiaccio basato sulla birifrangenza - SpiceBFR. Viene utilizzato nella modellazione dei rilevatori e ha già migliorato significativamente l'interpretazione dei modelli di luce risultanti dall'interazione delle particelle nel ghiaccio.
20 anni di ricerca
Il modello ottico del ghiaccio utilizzato dalla collaborazione IceCube è stato sviluppato fin dai primi giorni del precedente esperimento AMANDA.
Esperimento AMANDA (Muoni e neutrini antarticiDetector Array è un array antartico di rivelatori di muoni e neutrini. In realtà, questo è un telescopio per neutrini situato sotto la stazione del Polo Sud di Amundsen-Scott. Nel 2005, dopo nove anni di attività, AMANDA è entrata ufficialmente a far parte del progetto successivo, l'osservatorio dei neutrini IceCube.
Per più di 20 anni, gli scienziati hanno aggiunto nuove scopertealla conoscenza conosciuta del ghiaccio, inclusa la scomparsa delle bolle d’aria intrappolate a profondità ben al di sopra del rilevatore e che in profondità, la calotta glaciale del Polo Sud contiene il ghiaccio più puro del pianeta.
Da migliorare rispetto ai precedenti tentativi di descrizioneanisotropia, i collaboratori hanno studiato attentamente questo effetto, scoprendo la sua correlazione con lo sviluppo profondo delle proprietà dei cristalli di ghiaccio. Ciò ha portato gli scienziati a credere che i numerosi piccoli cristalli selezionati casualmente che compongono il ghiaccio svolgano un ruolo nell’anisotropia osservata.
Che cosa hanno fatto gli scienziati?
Per studiare fisica, facevano simulazioni,che ha modellato i diversi percorsi che la luce potrebbe seguire all'interno del rilevatore. Hanno poi confrontato i dati simulati con un ampio set di dati di calibrazione prelevati da IceCube.
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Il set di dati di calibrazione di IceCube contienedati provenienti dai 60.000 LED di cui sono dotati tutti i DOM. Questi, a loro volta, emettono successivi impulsi di luce nel ghiaccio e vengono poi utilizzati per calibrare le proprietà ottiche del ghiaccio.
Qual è il prossimo passo e perché è importante?
Il confronto degli indicatori ha aiutato gli scienziati a fareconclusione sulla forma e dimensione media dei cristalli di ghiaccio all'interno dell'IceCube. Questa nuova entusiasmante scoperta incoraggia la creazione di nuove simulazioni e l’adattamento degli attuali metodi di ricostruzione per tenere conto del modello SpiceBFR.
La scoperta non aiuterà solo IceCube a migliorareinterazioni dei neutrini ricostruite. La ricerca ha implicazioni per il campo della glaciologia nel suo insieme. Come notano gli autori del nuovo lavoro, le proprietà dei cristalli di ghiaccio vengono studiate, in particolare, per comprendere la meccanica del flusso del ghiaccio. Questi dati possono quindi essere utilizzati per prevedere il bilancio di massa dell’Antartide e il conseguente innalzamento del livello del mare in un clima che cambia.
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In copertina: radiazione Vavilov-Cerenkov nel liquido di raffreddamento del reattore di ricerca ATR presso l'Idaho National Laboratory. Foto: Laboratorio Nazionale Argonne