L'idea era così inverosimile che sembrava fantascienza:creare un osservatorio da un blocco di ghiaccio di un chilometro cubo in Antartide per tracciare particelle spettrali chiamate neutrini che passano attraverso la Terra. Ma parlando con Benedickt Riedel, responsabile del calcolo globale presso l'Osservatorio IceCube Neutrino, ha perfettamente senso.

"Costruire un osservatorio comparabile altrove sarebbe astronomicamente costoso, " Ha spiegato Riedel. "Il ghiaccio dell'Antartide è un ottimo materiale ottico e ci permette di percepire i neutrini come nessun altro".

I neutrini sono particelle subatomiche neutre con una massa prossima allo zero che possono attraversare materiali solidi a una velocità prossima a quella della luce, raramente reagisce con la materia normale. Sono stati rilevati per la prima volta negli anni '50 in esperimenti che operavano vicino a reattori nucleari, che generano anche queste particelle. È stato inoltre scoperto che sono stati creati dai raggi cosmici che interagiscono con la nostra atmosfera. Ma gli astrofisici credevano che fossero probabilmente diffusi e causati da una varietà di eventi cosmici, se solo potessero essere rilevati.

È importante sottolineare che gli scienziati credevano che potessero essere indizi critici per altri fenomeni. "Il 20% dell'Universo potenzialmente visibile è oscuro per noi, " Ha spiegato Riedel. "Questo è principalmente a causa delle distanze e dell'età dell'Universo. Anche la luce ad alta energia è nascosta. Viene assorbito o subisce una trasformazione che rende difficile risalire a una fonte. IceCube rivela una fetta di Universo che non abbiamo ancora osservato."

Un nuovo importante strumento nella casella degli strumenti di astronomia multi-messaggero

L'astronomia multi-messaggero descrive un approccio che combina osservazioni di luce, onde gravitazionali, e particelle per comprendere alcuni degli eventi più estremi dell'Universo. I neutrini giocano un ruolo importante in questo tipo di ricerca.

Prima del 1987, con l'esplosione della Supernova 1987a, tutte le osservazioni astronomiche extrasolari erano basate sui fotoni. Oggi, ulteriori sistemi di rilevamento si aggiungono alla nostra visione del cosmo, compresi tutti i rilevamenti del cielo e i rilevatori di onde gravitazionali. Però, la maggior parte degli osservatori può guardare solo una piccola porzione di cielo. Cubetto di ghiaccio, a causa della natura dei neutrini, può osservare i voli di queste particelle da qualsiasi direzione, e quindi fungere da sentinella a tutto cielo.

Il blocco di ghiaccio presso la stazione del Polo Sud Amundsen-Scott in Antartide, vecchio fino a centomila anni ed estremamente chiaro, è dotato di sensori tra 1, 450 e 2, 450 metri sotto la superficie. Mentre i neutrini passano attraverso il ghiaccio, possono interagire con un protone o un neutrone, producendo fotoni che poi viaggiano attraverso il ghiaccio, e può essere rilevato da un sensore. I sensori trasformano questi segnali provenienti dalle interazioni dei neutrini, una manciata di un'ora, in dati digitali che vengono poi analizzati per determinare se rappresentano una fonte locale (l'atmosfera terrestre) o distante.

"Sulla base dell'analisi, i ricercatori sono anche in grado di determinare da dove proveniva la particella nel cielo, la sua energia, e qualche volta, che tipo di neutrino—elettrone, muon o tau:era, "ha detto James Madson, direttore esecutivo del Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center.

Nel 2017, IceCube ha rilevato un neutrino con un'energia di 290 teraelettronvolt (TeV) e ha inviato un avviso. Il rilevamento ha innescato una vasta campagna che ha coinvolto più di venti telescopi spaziali e terrestri. Hanno identificato un blazar a 3,5 miliardi di anni luce di distanza, identificare per la prima volta una sorgente di raggi cosmici ad alta energia e lanciare una nuova era nel rilevamento multi-messaggero, secondo Riedl.

"Cerchiamo continuamente il nostro set di dati in tempo quasi reale per eventi di neutrini interessanti, " ha spiegato. "Ne abbiamo trovato uno e abbiamo inviato un'e-mail di avviso alla comunità. Hanno seguito tutte queste altre osservazioni elettromagnetiche, individuare una sorgente di raggi gamma nota. Hanno anche trovato, nel corso di un mese, una maggiore attività dalla fonte."

IceCube scopre le prove dell'antineutrino elettronico ad alta energia

Il 10 marzo, 2021, IceCube ha annunciato il rilevamento di un evento di risonanza di Glashow, un fenomeno previsto dal fisico premio Nobel Sheldon Glashow nel 1960. La risonanza di Glashow descrive la formazione di una W? bosone - una particella elementare che media la forza debole - durante l'interazione di un antineutrino elettronico ad alta energia con un elettrone, con un picco di energia antineutrino di 6,3 petaelettronvolt (PeV). La sua esistenza è una previsione chiave del Modello Standard della fisica delle particelle. I risultati hanno ulteriormente dimostrato la capacità di IceCube di fare fisica fondamentale. Il risultato è stato pubblicato il 10 marzo in Natura .

Sebbene questa scala energetica sia fuori portata per gli acceleratori di particelle attuali e futuri pianificati, si prevede che i fenomeni astrofisici naturali producano antineutrini che vanno oltre le energie del PeV. La notizia della scoperta della risonanza di Glashow, "suggerisce la presenza di antineutrini elettronici nel flusso astrofisico, fornendo anche un'ulteriore convalida del modello standard della fisica delle particelle, " scrivono gli autori. "La sua firma unica indica un metodo per distinguere i neutrini dagli antineutrini, fornendo così un modo per identificare acceleratori astronomici che producono neutrini tramite interazioni adronucleari o fotoadroniche, con o senza forti campi magnetici."

I rilevamenti di neutrini richiedono risorse di calcolo significative per modellare il comportamento del rivelatore e differenziare i segnali extra-solari dagli eventi di fondo creati dalle interazioni dei raggi cosmici nell'atmosfera. Riedel funge da coordinatore per una vasta comunità di ricercatori - ben 300 secondo le sue stime - che utilizzano il supercomputer Frontera presso il Texas Advanced Computing Center (TACC), una risorsa finanziata dalla National Science Foundation (NSF) per la comunità nazionale.

IceCube è stato premiato con il tempo su Frontera come parte della pista Large Scale Community Partnership, che fornisce stanziamenti estesi fino a tre anni per sostenere esperimenti scientifici di lunga durata. IceCube, che ha raccolto dati per 14 anni e ha recentemente ricevuto una sovvenzione da NSF per espandere le operazioni nei prossimi anni, è un ottimo esempio di tale esperimento.

"Parte delle risorse di Frontera ha contribuito a quella scoperta, " Ha detto Riedl. "Ci sono stati anni di simulazioni Monte Carlo che sono servite per capire che potevamo farlo."

IceCube utilizza risorse di elaborazione da una serie di fonti, compresa la Open Science Grid, l'ambiente estremo per la scoperta di scienze e ingegneria (XSEDE), il proprio cluster di supercalcolo locale, e recentemente il cloud di Amazon Web Services. Frontera è il più grande sistema utilizzato, però, e può gestire gran parte delle esigenze computazionali della comunità dei neutrini, riservare risorse locali o cloud per analisi urgenti, Riedel dice.

"Gran parte dell'informatica su Frontera potrebbe non essere direttamente associata alle scoperte, ma aiuta lungo la strada, discernere meglio i segnali e sviluppare nuovi algoritmi, " Egli ha detto.

Modellare il ghiaccio e seguire i segnali promettenti

I progetti per cui gli scienziati di IceCube utilizzano Frontera variano, ma in genere implicano calcoli per comprendere meglio la natura ottica del ghiaccio in generale (in modo che la traiettoria e altre caratteristiche delle rilevazioni di neutrini possano essere determinate con precisione); o calcoli per analizzare eventi specifici ritenuti significativi.

Il primo tipo di calcolo utilizza principalmente il ray tracing per calcolare il percorso della luce nel ghiaccio da particelle cariche elettricamente ad alta energia prodotte quando i neutrini interagiscono. I raggi possono disperdersi o essere assorbiti da difetti nel ghiaccio, analisi complicata. Utilizzo di unità di elaborazione grafica (GPU), Riedel ha trovato, può accelerare le simulazioni per studiare la propagazione della luce nel ghiaccio di centinaia di volte. Il team IceCube è tra i maggiori utenti del sottosistema GPU Frontera che include GPU NVIDIA RTX.

Il secondo tipo di calcolo si verifica quando gli scienziati ricevono un avviso che dice di aver ricevuto un segnale interessante. "Diamo il via a un calcolo per analizzare l'evento che può scalare fino a un milione di CPU, " Riedl ha detto. "Non abbiamo quelli, così Frontera può darci una parte di quella potenza di calcolo per eseguire un algoritmo di ricostruzione o estrazione. Riceviamo questo tipo di eventi circa una volta al mese".

"Le simulazioni su larga scala della struttura IceCube e i dati che crea ci consentono di determinare rapidamente e accuratamente le proprietà di questi neutrini, che a sua volta espone la fisica degli eventi più energetici dell'universo, "ha detto Niall Gaffney, TACC Direttore del Data Intensive Computing. "Questa è la chiave per convalidare la fisica quantistica fondamentale in ambienti che non possono essere praticamente replicati sulla terra".

Gli astronomi di oggi possono osservare l'universo in molti modi diversi, e l'informatica è ora centrale per quasi tutti loro. "Siamo passati dalla visione tradizionale di un ragazzo con un telescopio che guarda il cielo, a strumenti su larga scala, ad ora fisica delle particelle e osservatori di particelle, " ha detto Riedl. "Con questo nuovo paradigma, abbiamo bisogno di grandi quantità di calcolo per brevi periodi di tempo per fare grandi calcoli sensibili al tempo, e i grandi centri di calcolo scientifico come TACC ci aiutano a fare la nostra scienza".