Più di 2500 anni fa, i filosofi greci dibattevano sulla natura della realtà, interrogandosi se fosse caratterizzata dalla impermanenza o dal cambiamento costante. Eraclito sosteneva la tesi del cambiamento continuo, evidenziando il susseguirsi delle stagioni e il flusso e riflusso delle maree. Al contrario, Parmenide, quasi contemporaneo di Eraclito, riteneva che il cambiamento fosse un’illusione e che la costanza fosse la norma.
Nell’ambito della fisica moderna, si sono trovate prove subatomiche che supportano entrambe le visioni. Ad esempio, gli elettroni presenti negli atomi sono rimasti invariati sin dall’inizio dell’universo, appoggiando la teoria della costanza. Tuttavia, dimostrando la teoria del cambiamento continuo, una forma di particelle subatomiche chiamate neutrini è in costante flusso, cambiando identità ripetutamente. Questo comportamento dei neutrini è stato dimostrato in laboratori terrestri e recenti misurazioni confermano che si verifica anche nello spazio profondo.
I neutrini, fantasmi del mondo quantistico
I neutrini sono spesso descritti come i fantasmi del mondo quantistico perché interagiscono molto debolmente con la materia, consentendo loro di attraversare il nostro pianeta con solo una minima probabilità di interazione. Esistono tre tipi di neutrini: di tipo elettronico, muonico e tau. I neutrini elettronici sono prevalentemente generati nei reattori nucleari, mentre i neutrini muonici si formano nell’atmosfera terrestre quando protoni ad alta energia provenienti dallo spazio si scontrano con l’aria. I neutrini tau sono creati direttamente solo in grandi acceleratori di particelle.
Tuttavia, in un cenno a Parmenide, i neutrini sono unici nel mondo quantistico perché possono cambiare la loro identità, convertendosi da un tipo all’altro. Questo scambio di identità è noto come “oscillazione dei neutrini” e permette ai neutrini elettronici o muonici di trasformarsi in neutrini tau e viceversa. La creazione di neutrini tau è stata osservata per la prima volta nel laboratorio nel 2000 al Fermi National Accelerator Laboratory, appena fuori Chicago.
La scoperta della trasformazione dei neutrini
Il rilevatore IceCube utilizza un chilometro cubo di ghiaccio vicino al polo sud della Terra per studiare i neutrini. L’installazione dell’impianto è iniziata nel 2005 ed è stata completata nel 2010, e da allora è in funzione continua. Le dimensioni enormi del rilevatore sono necessarie perché i neutrini interagiscono così debolmente. Nonostante circa 100 trilioni di neutrini ti attraversino ogni secondo, nella tua vita forse solo un neutrino interagirà nel tuo corpo. Pertanto, un grande rilevatore è necessario per rilevare un numero significativo di interazioni di neutrini.
Il rilevatore IceCube ha registrato un numero significativo di successi. Nel 2013, i ricercatori di IceCube hanno rilevato neutrini provenienti al di fuori del sistema solare, e nel 2019 sono stati rilevati neutrini tau nell’apparato. Questi neutrini tau erano oscillati da neutrini elettronici e muonici creati nell’atmosfera terrestre dai raggi cosmici. E nel 2018, gli scienziati di IceCube hanno identificato un neutrino ad alta energia originato da un buco nero supermassiccio situato a circa sei miliardi di anni luce dalla Terra. Questa è stata la prima volta che un neutrino generato nello spazio profondo è stato accuratamente ricondotto alla sua fonte.
La più recente misurazione ha permesso ai ricercatori di IceCube di rilevare e isolare sette neutrini tau, tutti di altissima energia, variando da 20 trilioni di elettronvolt a un quadrilione di elettronvolt. Data l’altissima energia dei neutrini tau osservati, è molto probabile che questi neutrini siano stati creati a distanze cosmiche in eventi violenti, come la collisione di stelle di neutroni o nei dischi di accrescimento che circondano i buchi neri. I neutrini hanno probabilmente iniziato il loro viaggio come neutrini elettronici o muonici e sono oscillati in neutrini tau poco prima di colpire l’atmosfera terrestre. Per identificare i neutrini tau, gli scienziati hanno utilizzato una forma di apprendimento automatico chiamata reti neurali convoluzionali (CNN), che sfruttano informazioni tridimensionali per identificare gli oggetti.
Grandi rilevatori come IceCube forniscono agli scienziati la capacità di studiare sia fonti interstellari che extragalattiche di neutrini. La collaborazione IceCube ha proposto un ampliamento del loro rilevatore, che aumenterebbe il volume del rilevatore da un chilometro cubo a dieci chilometri cubi. E, nel 2019, la National Science Foundation ha approvato un aggiornamento più modesto, che consentirà agli scienziati di IceCube di studiare neutrini di energia inferiore. Questa osservazione dei neutrini tau fornisce un’ulteriore potente conferma delle capacità del rilevatore IceCube e prepara il terreno per future ricerche.