• Home
  • Chimica
  • Astronomia
  • Energia
  • Natura
  • Biologia
  • Fisica
  • Elettronica
  •  science >> Scienza >  >> Fisica
    Aspettando i neutrini

    Una supernova nasce quando il nucleo stellare bruciato collassa, rilasciando un'onda d'urto, che accelera verso gli strati esterni della stella. La maggior parte dell'energia rilasciata in una supernova viene emessa sotto forma di neutrini, particelle subatomiche quasi prive di massa che reagiscono raramente con la materia ordinaria. Credito:Istituto Max Planck per l'astrofisica

    Il 24 febbraio, 1987, luce da una supernova che è esplosa 168, 000 anni fa nella Grande Nube di Magellano, un vicino della Via Lattea, raggiunto la Terra. Gli astronomi Ian Shelton e Oscar Duhalde dell'Osservatorio di Las Campanas in Cile hanno riportato per primi la supernova, chiamato SN 1987A (o semplicemente 87A), che è stato uno dei più brillanti in quasi quattro secoli.

    Una supernova come 87A si verifica quando una stella molte volte più grande del nostro sole esaurisce il carburante nel suo nucleo. A questo punto, il nucleo è di ferro, e il suo destino dipende dalla battaglia tra due forze:la gravità cerca di farla collassare mentre gli elettroni si respingono efficacemente, grazie al principio di esclusione di Pauli, un effetto quantomeccanico. Per un po, l'equilibrio è mantenuto, ma la massa del nucleo di ferro continua ad aumentare, a causa della combustione nucleare nel guscio sopra di esso. Infine, la massa del nucleo raggiunge un valore critico chiamato limite di Chandrasekhar, e l'inesorabile forza di gravità vince. Il nucleo crolla su se stesso quasi in caduta libera, e un'onda d'urto si forma intorno ad esso. Riscaldato dall'energia dei neutrini in fuga, l'onda d'urto espelle gli strati esterni della stella in un'esplosione catastrofica che può brillare brevemente più brillantemente di intere galassie. Dopo aver perso la sua energia per l'emissione di neutrini, il nucleo si deposita infine in quella che è nota come stella di neutroni, effettivamente un nucleo gigante composto principalmente da neutroni.

    Quando Duhalde e Shelton videro la luce dall'87A, tre rivelatori di neutrini in tutto il mondo avevano già raccolto prove della supernova. La maggior parte dell'energia rilasciata in una supernova viene emessa sotto forma di neutrini, particelle subatomiche quasi prive di massa che reagiscono raramente con la materia ordinaria. Poiché interagiscono così debolmente, i neutrini possono scivolare fuori dall'involucro di una supernova in collasso ore prima delle particelle di luce, che cavalcano l'onda d'urto dell'esplosione, vengono espulsi.

    I neutrini prodotti dall'87A sono arrivati ​​sulla Terra poco prima della luce dell'esplosione. Irvine-Michigan-Brookhaven (IMB), un osservatorio di neutrini in Ohio sulle rive del lago Erie, rilevato otto eventi di neutrini. L'Osservatorio Baksan Neutrino in Russia ne ha rilevate altre cinque, e Kamiokande II, un rivelatore di neutrini nel sottosuolo di una miniera giapponese, visto 11. Era la prima volta che venivano rilevati neutrini da una supernova, anche se gli scienziati dei neutrini non se ne rendevano conto fino a dopo che Duhalde e Shelton hanno annunciato la loro osservazione. Hanno trovato gli eventi dei neutrini nei loro dati solo quando li hanno cercati dopo aver appreso le notizie sulla supernova.

    Qualcosa di incredibile in attesa di essere conosciuto?

    Più di 30 anni dopo, gli scienziati stanno costruendo l'esperimento internazionale Deep Underground Neutrino (DUNE), affittato da Fermilab. I suoi 70, Il rivelatore di argon liquido da 000 tonnellate sarà situato a quasi un miglio sottoterra presso il Sanford Underground Research Facility nel South Dakota, aspettando che arrivi un'altra esplosione di neutrini di supernova. La scoperta farebbe presagire una nuova stella che esplode da qualche parte nella Via Lattea.

    Kate Scholberg, un fisico delle particelle alla Duke University, afferma che i neutrini di supernova potrebbero insegnarci molto sulle supernovae e sulla fisica delle particelle se li rileviamo la prossima volta che si verifica un evento come 87A. Questo perché i neutrini portano con sé informazioni sulla supernova mentre viaggiano nello spazio. I segnali prodotti dai neutrini nei rivelatori di particelle come DUNE permetterebbero ai fisici di trarre conclusioni sulle condizioni in cui sono stati prodotti i neutrini e fornire prove del destino della stella che esplode.

    "Puoi effettivamente vedere i processi che stanno accadendo in tempo reale mentre nasce la stella di neutroni, " ha detto Scholberg, che studia i neutrini come parte di DUNE.

    Questi processi potrebbero puntare a una nuova fisica. Per esempio, se le particelle esotiche sono prodotte in una supernova, tracce della loro esistenza sarebbero evidenti nel segnale fatto dai neutrini. Questo perché i fisici possono calcolare l'energia totale prodotta da una supernova, e possono stimare quanto di esso è stato emesso come neutrini dalla misurazione. Se l'energia totale rilevata non corrisponde al totale previsto, potrebbe suggerire la produzione di nuove particelle.

    "Il rilevamento di una supernova nel 1987 da Kamiokande è stato, per me, una delle scoperte più impressionanti per la fisica delle particelle, " ha detto Inés Gil Botella, uno scienziato del Centro spagnolo per l'energia, Ambiente e Tecnologia, o CIEMAT, e uno dei protagonisti della ricerca sulla supernova di DUNE. "Ha aperto la strada alla comprensione dell'universo attraverso particelle diverse dai fotoni. Questa nuova era dell'astrofisica multimessaggero è iniziata davvero con il rilevamento dei neutrini di supernova".

    La dimensione DUNE

    Mentre i rivelatori hanno catturato solo 24 dei neutrini emessi dall'87A, centinaia di articoli sottoposti a revisione paritaria sono stati pubblicati a seguito della scoperta e della successiva ricerca. Quando DUNE è completato, potrebbe vedere molti più neutrini e contribuire a un simile – e del tutto nuovo – turbinio di ricerche.

    "DUNE ha diverse capacità che sono davvero uniche tra tutti i grandi rivelatori di neutrini quando si tratta di studi sui neutrini di supernova, " ha detto Steven Gardiner, uno scienziato del Fermilab che lavora sulla simulazione di ciò che accade quando un neutrino di supernova entra in un rivelatore.

    Una volta completato, l'esperimento internazionale di neutrini sotterranei profondi, affittato da Fermilab, aspetterà l'arrivo di un'esplosione di neutrini di supernova. Se gli scienziati rilevano il segnale dei neutrini in fuga dalla supernova, I ricercatori DUNE potrebbero essere allertati e sfruttare una rara opportunità di studiare una stella che esplode. Credito:Fermilab

    DUNE è diverso dai rilevatori Cherenkov come Kamiokande in diversi modi, compreso che utilizza l'argon liquido invece dell'acqua come mezzo target. I rilevatori di argon liquido individuano i neutrini quando entrano in collisione con i nuclei di argon. Il nucleo dell'argon è composto da protoni e neutroni disposti in vari stati energetici. Quando un neutrino si scontra con un nucleo di argon, un protone o un neutrone in uno stato energetico inferiore può essere elevato a uno stato energetico superiore e portare all'emissione di particelle dal nucleo di argon tramite la sua diseccitazione. Alcune di queste particelle possono essere osservate dal rivelatore.

    "Quando il nucleo si diseccita, possono succedere cose diverse, " Gardiner ha detto. "Il nucleo può emettere raggi gamma, neutroni, protoni o frammenti nucleari più pesanti. Si possono potenzialmente vedere i raggi gamma nell'argon liquido, perché disperderanno gli elettroni nell'argon, e vedrai piccoli segnali che provengono da loro."

    rivelatori Cherenkov, che cercano principalmente antineutrini elettronici che colpiscono protoni nudi, non è in grado di ricostruire i raggi gamma con tutti i dettagli dei rilevatori di argon liquido.

    A causa della natura complicata della ricostruzione energetica, ricostruire eventi di neutrini di supernova in un rivelatore di argon liquido è una vera sfida. Gardiner sta attualmente costruendo simulazioni al computer in grado di modellare le varie firme che possono verificarsi quando un neutrino interagisce con l'argon liquido in DUNE.

    "La difficoltà è perché hai così tanti stati di eccitazione dell'argon disponibili, hai tutti i tipi di firme diverse che potrebbero essere prodotte nel tuo rilevatore, " ha detto. "E devi affrontare quel livello di complessità per ricostruire completamente l'energia da una collisione di neutrini".

    Poi c'è la sfida di estrarre il segnale dal rumore. I neutrini di supernova trasportano molta meno energia di dire, neutrini prodotti da un acceleratore di particelle, quindi i segnali che producono nell'argon sono più deboli. Portare alla luce queste interazioni a bassa energia richiede sia un rivelatore sensibile che la conoscenza delle varie firme dell'interazione.

    "I neutrini ad alta energia sono più facili da rilevare, e le loro interazioni sono ben note. Sappiamo come si comportano, " disse Gil Botella. "Ma a questi bassi, energie supernova-neutrini, le interazioni con l'argon non sono molto note. Non abbiamo molti dati sperimentali per dire cosa succede quando un neutrino a bassa energia interagisce con l'argon".

    E gli scienziati degli altri progetti mondiali sui neutrini stanno cercando di cambiarlo, pianificando esperimenti che dipingessero un quadro più chiaro dei neutrini a bassa energia.

    "Studiare i neutrini è un affare complicato, e abbiamo più lavoro da fare, ma le capacità tecnologiche di DUNE rendono queste sfide molto più gestibili, " Gardiner ha detto. "I profitti della fisica saranno enormi. Se vogliamo affrontare queste domande, DUNE è un buon modo per farlo."

    Stazione di oscillazione

    DUNE potrebbe anche aiutare a informare la nostra comprensione dell'oscillazione del neutrino in un modo che altri rivelatori non possono. Nei rivelatori Cherenkov, il segnale è prodotto principalmente da antineutrini elettronici che interagiscono con le molecole d'acqua. Al contrario, l'argon liquido campiona anche i neutrini elettronici dall'ejecta della supernova.

    "Abbiamo bisogno sia di neutrini elettronici che di antineutrini per districare gli scenari di oscillazione, "ha detto Alex Friedland, un fisico delle particelle e uno scienziato senior presso lo SLAC National Accelerator Laboratory in California. DUNA, perché sarà l'unico rivelatore in grado di vedere i neutrini elettronici, aggiunge un pezzo mancante a quel puzzle.

    I neutrini oscillano tra tre sapori (elettrone, muon o tau) mentre si muovono nello spazio. I fisici hanno studiato le oscillazioni dei neutrini nei neutrini prodotti nel sole, nell'atmosfera terrestre, da reattori nucleari e in fasci di particelle ad alta energia creati da acceleratori di particelle. Ma non sono stati in grado di studiarli nelle supernove, dove il numero di neutrini prodotti è semplicemente fuori scala rispetto ad altre fonti.

    L'onda d'urto di una supernova espelle gli strati esterni della stella in un'esplosione catastrofica che può brillare brevemente più intensamente di intere galassie. Credito:NASA

    "Questa è l'ultima frontiera dell'intensità, " disse Friedland. "La natura lo fa per noi, quindi non ci resta che approfittarne. La supernova è un laboratorio dall'altra parte della galassia. Effettua esperimenti, e dobbiamo 'solo' costruire il rilevatore ed effettuare una misurazione. Certo, è utile tenere presente che questa misurazione è "solo" uno dei compiti più impegnativi che DUNE, il rivelatore di neutrini più avanzato mai costruito, intraprenderà».

    L'oscillazione del neutrino descrive tipicamente una singola particella che cambia i sapori, ma nelle giuste circostanze, come in una supernova che collassa, molti neutrini possono oscillare collettivamente.

    "Oscillazione collettiva significa che hai neutrini che attraversano lo sfondo di altri neutrini, e uno stato di sapore di un dato neutrino sa cosa stanno facendo tutti gli altri neutrini che passa in termini di sapore, " ha detto Friedland.

    Con un numero sufficiente di segnali di neutrini – che un rivelatore come il gigante DUNE potrebbe accumulare – i fisici possono ricostruire lo spettro energetico dei neutrini elettronici che arrivano sulla Terra. Questo spettro può avere caratteristiche sorprendenti impresse su di esso da oscillazioni collettive di neutrini all'interno della supernova. Con quelle informazioni, possono vedere come i neutrini si sono evoluti collettivamente nella stella morente.

    Le informazioni possono dare loro indizi su cosa è successo alla stella stessa, anche. La densità dei neutrini è così alta in una supernova con collasso del nucleo come 87A che influisce sul modo in cui la stella esplode. L'onda d'urto dell'esplosione è spinta da quello che i fisici chiamano vento guidato da neutrini.

    Altri eventi di collasso del nucleo potrebbero non produrre una supernova che possiamo vedere facilmente dalla Terra, ma sapremo che si sono verificati quando i rivelatori di neutrini registrano un'esplosione.

    "Quando una stella collassa in un buco nero, probabilmente non otterrai fuochi d'artificio, "Spiegò Scholberg. "Gli osservatori potrebbero non vedere nulla, o semplicemente vedere una stella scomparire. Questo tipo di eventi sarebbe visto brillantemente nei neutrini".

    Una volta installati i rilevatori DUNE, serviranno per misurare i neutrini provenienti dagli acceleratori del Fermilab e attendere pazientemente l'esplosione di una supernova. Questo accade nella nostra galassia in media una volta ogni 30-50 anni.

    "Questo è lo svantaggio del mondo dei neutrini delle supernovae; siamo sempre in attesa, " ha detto Scholberg. "È meglio che non ti perda nulla".

    Quando si verifica, una supernova con collasso del nucleo sarà un evento importante che interesserà molteplici campi di ricerca, compresa la fisica delle particelle e l'astrofisica.

    "È così impressionante:le supernovae producono un numero enorme di neutrini, percorrono una distanza così lunga, e ricevi un segnale direttamente da qualcosa a kiloparsec di distanza, " ha detto Gil Botella. "E 'davvero sorprendente per ottenere l'accesso alle informazioni all'interno di una stella come quella. È la connessione con gli oggetti nell'universo, l'ignoto dell'universo."

    I membri del pubblico possono iscriversi per ricevere avvisi dal SuperNova Early Warning System (SNEWS). Il sistema automatizzato comprende attualmente sette esperimenti di neutrini in Canada, Cina, Italia, Giappone e al Polo Sud. Quando i neutrini prodotti in una supernova raggiungono la Terra, SNEWS invierà avvisi e-mail per annunciare il loro arrivo, che catturerebbe la comunità di ricerca.

    "Una volta che la supernova si è verificata, puoi dimenticare tutto il resto a cui stavamo pensando, " ha detto Friedland. "Il mondo della scienza ne parlerà per almeno un anno o più".

    © Scienza https://it.scienceaq.com