L’uomo osserva il cielo dalla notte dei tempi: prima ad occhio nudo, poi con un cannocchiale, poi con strumenti sempre più avanzati, fino ai moderni telescopi spaziali, capaci di immagini incredibili dai recessi più lontani del cosmo. Nell’ultimo secolo, gli scienziati hanno ampliato molto la varietà di osservazioni che sono in grado di effettuare: oltre alla luce visibile, infatti, sono stati costruiti telescopi per tutte le possibili onde elettromagnetiche, dalle gigantesche antenne per le onde radio ai satelliti per i raggi gamma. Inoltre, si è scoperto come dallo spazio arrivino sulla Terra anche un gran numero di particelle cariche,. Sono stati perciò costruiti rivelatori sia in orbita che al suolo, anche di dimensioni enormi.

Sia le onde elettromagnetiche che le particelle cariche, però, hanno dei limiti. Le prime vengono bloccate dalle polveri e dai gas interstellari e intergalattici, le seconde vengono deviate dai campi magnetici (ogni stella e ogni galassia ne generano uno), per cui è impossibile capire da dove vengano. Per questo, si è pensato di cercare tra i raggi cosmici anche i neutrini, che, essendo neutri, non vengono deviati dai campi magnetici e, interagendo solo molto debolmente con la materia, possono attraversare intere galassie. Queste caratteristiche, d’altra parte, li rendono però estremamente difficili da rivelare. Per poter costruire un telescopio per neutrini, infatti, avremo bisogno di un volume immenso, dove almeno uno di loro,ogni tanto, possa interagire: gli scienziati hanno scelto di usare un rivelatore molto semplice, che sfrutta la radiazione Cherenkov. Quando il neutrino interagisce, produce una particella carica: se questa viaggia abbastanza velocemente in un materiale trasparente, emette luce. Si è quindi deciso di utilizzare un enorme volume d’acqua come radiatore Cherenkov, circondato da migliaia di rivelatori di luce in grado di contare i fotoni, anche uno alla volta. Con “volume immenso” si intende un cubo di un chilometro di lato, più o meno, e una massa d’acqua di un miliardo di tonnellate: un volume… davvero immenso! Una vasca del genere non si può costruire, per cui la si è cercata dove già c’è: in fondo al mare oppure nel ghiaccio dell’Antartide.

IceCube

Il laboratorio di IceCube, presso la stazione Scott-Amundsen al Polo sud (Image: IceCube Collaboration)

Telescopi per neutrini di questo tipo sono progettati dagli anni Settanta e i primi prototipi risalgono ai primi anni Novanta del secolo scorso, mentre il primo grande telescopio è stato completato da appena tre anni al Polo Sud, lo IceCube Neutrino Detector. Nel ghiaccio eterno sono stati scavati buchi profondi 2500 metri e calate “stringhe” di rivelatori di luce: si è quindi immessa acqua nel foro che, solidificandosi, ha ricompattato il ghiaccio che costituisce l’elemento attivo del rivelatore. In totale, sono state immerse nel ghiaccio 86 stringhe con oltre 5000 rivelatori, su un’area più grande di quella occupata da 100 campi di calcio. L’essere sepolti da oltre 1500 metri di ghiaccio difende i rivelatori dalla maggior parte dei raggi cosmici “ordinari”, molto più frequenti degli elusivi neutrini, ma per essere sicuri di non farsi confondere, il telescopio è puntato verso il centro della Terra: in questo modo, un segnale che viene “dal basso” è stato sicuramente prodotto da un neutrino, perché nessuna particella carica riesce ad attraversare la Terra.

Moduli Ottici

Visione artistica delle stringhe di IceCube, con i moduli ottici contenenti i rivelatori di luce (Image: Jamie Yang. IceCube Collaboration)

I fisici teorici avevano un’idea assai vaga di quanti neutrini sarebbero stati osservati con questo telescopio: ci sono dei limiti calcolabili, sappiamo che non possono essere “troppi” rispetto alle particelle cariche che arrivano sulla terra, ma potrebbero essere anche molto pochi o, al limite, nessuno. Oggi sappiamo che qualcosa c’è: IceCube ha misurato 28 neutrini di energia altissima, che non possono essere stati prodotti nel sistema solare. Non sappiamo da dove vengano, né come siano stati prodotti, ma sappiamo che ci sono e che possiamo misurarli. Nei prossimi anni o decenni, quando anche con il secondo grande telescopio (KM3Net), in costruzione sul fondale del Mar Mediterraneo, a 3000 metri di profondità, avremo raccolto molti segnali, potremo fare una “mappa del cielo” attraverso questi neutrini, e potremo cercare delle correlazioni tra loro e tutti quei fenomeni cosmici che ancora non capiamo bene, come i Gamma Ray Burst, i nuclei galattici attivi o i fenomeni, totalmente sconosciuti, in cui  particelle cariche vengono accelerate ad energie tanto grandi da essere sufficienti a sollevare di un metro da terra un mattone di un chilo di peso.

Tutto questo con un telescopio che osserva il cielo, sotto due chilometri d’acqua e guardando verso il basso!