Sottoterra, per guardare il cielo

Il Sudbury Neutrino Observatory(SDO). Crediti: Lawrence Berkeley Nat'l Lab - Roy Kaltschmidt
Il Sudbury Neutrino Observatory (SDO). Crediti: Lawrence Berkeley Nat’l Lab – Roy Kaltschmidt

Per secoli gli astronomi sono andati alla ricerca delle migliori condizioni osservative per studiare l’universo, scegliendo cieli sereni e con poca umidità, fuggendo dall’inquinamento luminoso mano a mano che un uso scellerato dell’illuminazione notturna impoveriva di stelle la volta celeste, venendo relegati su cime montuose e luoghi sperduti in mezzo a deserti di mezzo mondo, o a osservare direttamente dallo spazio per eliminare del tutto l’interferenza dell’atmosfera grazie ai satelliti artificiali.
Negli ultimi tempi, però, è accaduto qualcosa di strano: per guardare il cielo abbiamo iniziato ad andar sottoterra.

Non è più (solo) la luce visibile a fornire agli scienziati informazioni sul cosmo: ormai vengono raccolti dati da tutte le lunghezze d’onda dello spettro elettromagnetico, dalle onde radio ai raggi gamma. Con la scoperta dei raggi cosmici all’inizio del XX secolo, abbiamo poi capito che non era necessario affidarci ai soli fotoni per studiare l’Universo, ma che la capacità di rivelare altre particelle provenienti dallo spazio apriva strade e possibilità nuove.

Nonostante gli strumenti come quello nella figura qui sopra possano essere chiamati telescopi (perché di fatto ci permettono di guardare lontano), essi sono quanto di più lontano ci possa essere rispetto all’immaginario collettivo: si trovano diversi chilometri sottoterra e non hanno un’ottica composta di lenti o specchi; sono invece più simili a enormi vasche o involucri che contengono acqua purissima o qualche fluido strano. E osservano neutrini.

Teorizzati per la prima volta da Pauli nel 1930, i neutrini sono prodotti dai decadimenti radioattivi e dalle reazioni di fusione all’interno dei nuclei delle stelle, cosa che li rende molto abbondanti. Guardate per un secondo l’unghia del vostro pollice: in quel lasso di tempo sono passati attraverso la vostra unghia circa 300 miliardi di neutrini provenienti dal Sole.
Un’altra particolarità del neutrino è che esso, una volta prodotto, interagisce pochissimo con le altre particelle (i fisici dicono che ha una bassissima sezione d’urto) caratteristica che gli permette viaggiare attraverso la materia senza essere assorbito o interagire, conservando così le informazioni sul processo che lo ha generato.

Immaginiamo di poter studiare il viaggio di un fotone e di un neutrino prodotti nello stesso istante nel nucleo del Sole.
Pur viaggiando alla velocità della luce, il fotone deve farsi strada attraverso miriadi di protoni e altre particelle con le quali interagisce in continuazione in un susseguirsi di urti, assorbimenti e riemissioni. Per un fotone, la strada verso l’uscita è una corsa a ostacoli che può durare un milione di anni o più.
Una volta raggiunta la superficie del Sole, la fotosfera, dovrebbe poi viaggiare ancora per 8 minuti circa fino a giungere nei pressi del nostro pianeta. E se a quel punto catturassimo il fotone attraverso uno dei numerosi osservatori solari che esistono sulla Terra o nello spazio, cosa potremmo vedere? Semplice: solo l’ultima interazione. Nell’attraversare l’interno del Sole, il fotone ha subito numerose trasformazioni, e ciò che emerge dalla fotosfera non è più lo stesso fotone che è stato generato all’interno del nucleo. Attraverso la luce, riusciamo a vedere solo gli strati più esterni del Sole, non certo il suo interno.
Molto meno travagliato è invece il percorso del neutrino. Grazie alle sue scarse proprietà d’interazione, un neutrino riesce ad attraversare indenne l’interno del Sole per giungere, otto minuti dopo la sua creazione, nei pressi dell’orbita terrestre; per giunta conservando informazioni sui processi che lo hanno generato.
Studiare un neutrino solare permette di guardare dentro il Sole, fin nel suo nucleo.

Purtroppo, la piccola sezione d’urto che permette a un neutrino di attraversare il Sole come se niente fosse lo rende anche difficilissimo da rivelare. D’altra parte, la quantità di neutrini prodotta dal Sole è enorme, cosa che in parte compensa la minuscola probabilità d’interazione*.
Vedere i neutrini solari è possibile, a patto di costruire rivelatori abbastanza grandi e di metterli al riparo da tutte quelle interferenze che renderebbero impossibile distinguere il segnale di un neutrino dal rumore di fondo. E ciò vuol dire andar sottoterra.

(continua)


* ^ Grandi numeri vs. piccole probabilità. Dove ne avevo già parlato?

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