Usare le supernovae per studiare le strane proprietà dei neutrini

In un nuovo studio, i ricercatori hanno compiuto un passo importante verso la comprensione di come le stelle che esplodono possano aiutare a rivelare come neutrinimisteriose particelle subatomiche, interagiscono segretamente tra loro.

Cassiopea A (Cas A), resto di supernova – immagine illustrativa. Questi oggetti celesti sono le sorgenti dei neutrini. Crediti: NASA/CXC/SAO

Una delle particelle elementari meno conosciute, i neutrini interagiscono raramente con la materia normale, e invece viaggiano invisibilmente attraverso di essa quasi alla velocità della luce.

Queste particelle spettrali sono più numerose di tutti gli atomi nell’universo e passano sempre innocue attraverso i nostri corpima a causa della loro massa ridotta e della mancanza di carica elettrica possono essere incredibilmente difficili da trovare e studiare.

Ma in uno studio pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisicai ricercatori della Ohio State University hanno stabilito un nuovo quadro che descrive in dettaglio come le supernove – massicce esplosioni che annunciano la morte di stelle collassanti – potrebbero essere utilizzate come potenti strumenti per studiare come le autointerazioni dei neutrini possono causare vasti cambiamenti cosmologici nell’universo.

“I neutrini hanno solo tassi di interazione molto piccoli con la materia tipica, quindi è difficile rilevarli e testare le loro proprietà”, ha affermato Po-Wen Chang, l’autore principale dello studio e uno studente laureato in fisica allo stato dell’Ohio.

“Ecco perché dobbiamo usare l’astrofisica e la cosmologia per scoprire fenomeni interessanti su di loro.”

Ritenuti importanti per la formazione dell’universo primordiale, i neutrini continuano a lasciare perplessi gli scienziati, nonostante abbiano appreso che hanno origine da una serie di fonti, come nei reattori nucleari o all’interno delle stelle morenti.

Ma calcolando come le autointerazioni influenzerebbero il segnale del neutrino Supernova 1987A, la supernova più vicina osservata nei tempi moderni, i ricercatori hanno scoperto che quando i neutrini interagiscono con se stessi, formano un fluido strettamente accoppiato che si espande sotto idrodinamica relativistica – una branca della fisica che si occupa del modo in cui i flussi influiscono sugli oggetti solidi in due modi diversi.

Nel caso di quello che viene chiamato a ““burst outflow”, il team teorizza che, proprio come far scoppiare un palloncino altamente pressurizzato nel vuoto dello spazio spingerebbe l’energia verso l’esterno, un’esplosione produce un fluido di neutrini che si muove in tutte le direzioni.

Il secondo caso, descritto come “deflusso del vento”, immagina un pallone altamente pressurizzato con molti ugelli, in cui i neutrini fuoriescono a una portata più costante, simile a un getto di vento costante.

Mentre la teoria del deflusso del vento è più probabile che abbia luogo in natura, ha detto Chang, se il caso dell’esplosione fosse realizzato, gli scienziati potrebbero vedere nuove tracce osservabili di neutrini emessi dalle supernove, consentendo una sensibilità senza precedenti alle autointerazioni dei neutrini.

Uno dei motivi per cui è così importante comprendere questi meccanismi è che se i neutrini agiscono come un fluido, significa che agiscono insieme, come un collettivo.

E se le proprietà dei neutrini sono diverse come collettività rispetto a quelle individuali, allora anche la fisica delle supernove potrebbe subire dei cambiamenti. Ma resta da vedere se questi cambiamenti siano dovuti esclusivamente al caso burst o al caso deflusso.

“La dinamica delle supernovae è complicata, ma questo risultato è promettente perché con l’idrodinamica relativistica sappiamo che c’è un bivio sulla strada per capire come funzionano ora”, ha detto Chang.

Tuttavia, sono necessarie ulteriori ricerche prima che gli scienziati possano escludere la possibilità che il caso dello scoppio avvenga anche all’interno delle supernove.

Nonostante queste incertezze, lo studio rappresenta un’enorme pietra miliare nel rispondere al problema astrofisico, vecchio di decenni, su come i neutrini effettivamente si diffondono quando vengono espulsi dalle supernovae. John Becom, coautore dello studio e professore di fisica e astronomia presso l’Ohio State.

Questo studio ha scoperto che nel caso del burst, una sensibilità senza precedenti alle autointerazioni dei neutrini è possibile anche con dati sparsi sui neutrini provenienti da SN 1987A e ipotesi di analisi conservative.

“Questo problema è rimasto sostanzialmente intatto per 35 anni”, ha affermato Beacom. “Quindi, anche se non siamo stati in grado di risolvere completamente il modo in cui i neutrini influenzano le supernovae, ciò di cui siamo entusiasti è che siamo riusciti a fare un sostanziale passo avanti”.

In futuro, il team spera che il proprio lavoro venga utilizzato come trampolino di lancio per studiare ulteriormente le autointerazioni dei neutrini. Tuttavia, poiché nella Via Lattea si verificano solo circa due o tre supernove ogni secolo, è probabile che i ricercatori dovranno aspettare ancora decenni per raccogliere abbastanza nuovi dati sui neutrini per dimostrare le loro idee.

“Preghiamo sempre affinché un’altra supernova galattica accada da qualche parte e presto, ma la cosa migliore che possiamo fare è cercare di basarci su ciò che sappiamo il più possibile prima che accada”, ha detto Chang.

Fonte: Università statale dell’Ohio