Ogni secondo, da qualche parte nell'universo osservabile, una stella massiccia collassa innesca l'esplosione di una supernova. Secondo i fisici, l’osservatorio Super-Kamiokande in Giappone potrebbe ora rilevare un flusso costante di neutrini provenienti da questi disastri raccogliere, che potrebbe ammontare a poche scoperte all'anno.

Questo minuscole particelle subatomiche sono fondamentali per comprendere cosa accade in una supernova: mentre escono dal nucleo collassante della stella e volano attraverso lo spazio, possono fornire informazioni sulla fisica potenzialmente nuova che potrebbe verificarsi in condizioni estreme.

Sull'ultimo Neutrino 2024 Durante una conferenza a Milano, Masayuki Harada, fisico dell'Università di Tokyo, ha rivelato che la prima prova dell'esistenza di neutrini di supernova sembra provenire dal caos di particelle che il rilevatore Super Kamiokande raccoglie ogni giorno da altre fonti, come i raggi cosmici che colpiscono l'atmosfera e la fusione nucleare nel Sole. Il risultato suggerisce che "abbiamo iniziato a osservare un segnale", afferma Masayuki Nakahata, fisico dell'Università di Tokyo e portavoce dell'esperimento, comunemente chiamato Super-K. Tuttavia, Nakahata avverte che i dati a sostegno – raccolti in 956 giorni di osservazione – sono ancora molto deboli.

Particelle volatili

I neutrini sono estremamente sfuggenti. La maggior parte attraversa il pianeta come la luce attraverso il vetro, e Super-K cattura solo una piccola frazione di quelli che lo attraversano. Tuttavia, il rilevatore ha buone probabilità di rilevare i neutrini provenienti dalle supernove, poiché l’universo dovrebbe esserne inondato. Il collasso di una stella rilascia enormi quantità di queste particelle (stimate in circa 10^58), che gli astrofisici chiamano il fondo diffuso di neutrini della supernova.

Tuttavia, finora nessuno è stato in grado di dimostrare questo background. I neutrini sono stati creati una sola volta chiaramente riconducibile ad una stella collassante – Nakahata è stato uno dei ricercatori che hanno scoperto le particelle nel 1987 utilizzando il rilevatore Kamioka II, predecessore del Super-K. La scoperta è stata possibile perché la supernova si è verificata nella Grande Nube di Magellano, una galassia nana abbastanza vicina da consentire ai neutrini della stella in esplosione di raggiungere la Terra in gran numero.

Nel 2018-2020, il rivelatore Super-K, un serbatoio contenente 50.000 tonnellate di acqua purificata sotto un chilometro di roccia vicino a Hida, sull’isola centrale di Honshu, ha subito un semplice ma importante aggiornamento volto ad aumentare la sua capacità di distinguere i neutrini di supernova da altre particelle.

Quando un neutrino - più precisamente la sua antiparticella, un antineutrino - collide con un protone nell'acqua, quel protone può trasformarsi in una coppia di altre particelle, un neutrone e un antielettrone. L'antielettrone produce un lampo di luce mentre si muove ad alta velocità nell'acqua, e questa luce viene catturata dai sensori che circondano le pareti della vasca. Questo lampo di luce da solo potrebbe essere indistinguibile dalla luce prodotta dai neutrini o dagli antineutrini provenienti da una varietà di altre fonti.

Durante l'aggiornamento, gli scienziati hanno aggiunto un sale a base di gadolinio all'acqua di Super-K. Ciò consente al neutrone prodotto quando un antineutrino colpisce l'acqua di essere catturato dal nucleo di gadolinio, rilasciando una seconda, caratteristica sequenza flash di energia. I fisici Super-K alla ricerca di neutrini di supernova cercano una rapida serie di due lampi, uno proveniente dall'antielettrone e il secondo dal neutrone intrappolato.

Risolvi misteri cosmici

Nakahata dice che ci vorranno diversi anni prima che i veri segnali di supernova emergano chiaramente, perché i segnali di doppio flash possono provenire anche da altre sorgenti di neutrini, compresi quelli causati dai raggi cosmici che colpiscono l'atmosfera. Ma quando è prevista la chiusura di Super-K, prevista per il 2029, aggiunge, dovrebbe aver raccolto dati sufficienti per avanzare una solida affermazione.

UN esperimento ancora più grande chiamato Hyper-Kamiokande, che dovrebbe essere completato intorno al 2027, potrebbe migliorare notevolmente i risultati di Super-K. Inizialmente, Hyper-K sarà riempito con acqua pura, ma "tutti i componenti del rilevatore sono progettati per essere compatibili con il gadolinio", che potrebbe essere aggiunto in seguito, afferma Francesca Di Lodovico, fisica del King's College di Londra e co-portavoce del progetto.

Dimostrare che i neutrini provenienti da supernove lontane verificatesi miliardi di anni fa sono ancora presenti confermerebbe che i neutrini sono particelle stabili e non decadono in qualcos’altro, dice Nakahata. Questo è qualcosa che i fisici sospettavano da molto tempo, ma non sono ancora riusciti a dimostrarlo.

Misurare l’intero spettro delle energie dei neutrini delle supernova potrebbe anche rivelare quante supernove si sono verificate in diversi periodi della storia cosmica, dice Harada. Inoltre, potrebbe rivelare quante stelle che collassano hanno dato origine a un buco nero – che fermerebbe l’emissione di neutrini – invece di lasciare dietro di sé una stella di neutroni.

I dati di Super-K sono ancora troppo deboli per poter essere rilevati, ma la possibilità di rilevare i neutrini diffusi è "estremamente entusiasmante", afferma Ignacio Taboada, fisico del Georgia Institute of Technology di Atlanta e portavoce dell'IceCube Neutrino Observatory al Polo Sud. “I neutrini fornirebbero una misurazione indipendente della storia della formazione stellare nell’universo”.