Neutrini altamente energetici, la chiave per comprendere l’origine dei raggi cosmici all’interno della Via Lattea

Nel corso dell’anno 2023 l’ IceCube Neutrino Observatory ha annunciato la scoperta dei primi neutrini altamente energetici provenienti dal disco della Via Lattea: una notizia importante, che sembra finalmente comprovare l’esistenza dei cosiddetti PeVatrons, sorgenti stellari capaci di accelerare i raggi cosmici fino ad elevatissime energie, nel range dei PeV (1 PeV corrisponde a circa eV).
I raggi cosmici, formati da particelle cariche di varia natura, possono essere originati da sorgenti sia galattiche sia extragalattiche. Nel primo caso, però, identificare queste sorgenti è un compito molto difficile, poiché i raggi cosmici rimangono intrappolati all’interno della Via Lattea per l’azione del suo campo magnetico e sono costretti a vagare a lungo, anche per milioni di anni, prima di riuscire a scappare nello spazio. Il loro percorso viene dunque deviato innumerevoli volte dalla materia circostante, di modo che non è più possibile risalire al punto in cui è avvenuta la loro emissione, ovvero quello in cui si trovano le sorgenti. Il problema è tanto maggiore nel caso dei raggi cosmici PeV, dato che nessuna loro sorgente è stata ancora direttamente osservata. Ciò che sappiamo è che i resti di supernova vengono attualmente considerati i candidati più probabili per fornire il giusto meccanismo di accelerazione, grazie alle veloci onde d’urto con cui spazzano il mezzo interstellare dopo l’esplosione di supernova.

Siccome il flusso di raggi cosmici che arriva alla Terra è diffuso proprio a causa di queste continue deflessioni, per localizzare i PeVatrons è necessario sfruttare delle particelle debolmente interagenti con il mezzo che attraversano. Gli astronomi hanno quindi pensato ai neutrini altamente energetici che vengono prodotti in cascate assieme ad altre particelle come i muoni quando i raggi cosmici PeV si trovano confinati sul piano della Via Lattea. I neutrini, infatti, sono particelle estremamente leggere, soggette solo alla forza debole e prive di carica elettrica, motivo per cui essi non subiscono l’effetto del campo magnetico galattico e possono viaggiare indisturbati dal disco della Galassia fino alla Terra. Di conseguenza, misurare la direzione di moto dei neutrini altamente energetici significa poter vedere le sorgenti che li hanno emessi. Per fare questo, l’Osservatorio IceCube è dotato di rivelatori a geometria sferica, detti fotomoltiplicatori, calati ad una profondità di almeno 1.5 km sotto la superficie del ghiaccio antartico. Essi sono in grado di ricostruire i parametri cinematici dei neutrini provenienti dai raggi cosmici individuandole particelle derivanti dalla loro collisione con gli atomi che compongono il
ghiaccio. Con questa tecnica, IceCube ha allora indicato il disco della Via Lattea come zona di emissione dei neutrini altamente energetici: un grande passo avanti, che potrebbe in futuro portare alla determinazione dei PeVatrons. E su questo gli scienziati stanno già lavorando, grazie alla costruzione di due nuovi telescopi per la rivelazione dei neutrini nell’emisfero boreale: il KM3NeT e il Baikal-GVD, situati rispettivamente nel Mar Mediterraneo e nel lago di Baikal. Ciò dovrebbe assicurare una più ampia copertura del flusso dei neutrini altamente energetici in cielo.

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