Lo spettro energetico dei neutrini astrofisici non è una semplice linea retta.

Un nuovo studio pubblicato su Physical Review Letters dalla collaborazione IceCube riporta prove che lo spettro energetico dei neutrini astrofisici non è una semplice linea retta.

I neutrini astrofisici sono particelle minuscole, quasi prive di massa, prodotte quando i raggi cosmici ad alta energia interagiscono con la materia o le radiazioni in prossimità di sorgenti come nuclei galattici attivi, lampi gamma e resti di supernova. Poiché interagiscono a malapena con qualsiasi cosa, viaggiano dai confini dell’universo osservabile in linea retta, trasportando informazioni sugli ambienti che li hanno generati.

Analizzando dati raccolti nell’arco di oltre un decennio, lo studio ha rilevato una discontinuità nello spettro energetico intorno ai 30 TeV, paragonabile alle energie osservate al Large Hadron Collider. Questo esclude la legge di potenza singola con una significatività statistica superiore a 4σ, il che significa che la probabilità che il risultato sia casuale è inferiore a circa 1 su 16.000.

Phys.org ha intervistato i coautori Aswathi Balagopal V. dell’Università del Delaware, Vedant Basu dell’Università dello Utah e Albrecht Karle dell’Università del Wisconsin-Madison per saperne di più sul lavoro della collaborazione IceCube.

“Ciò che personalmente trovo più interessante è che i neutrini agiscono come messaggeri cosmici provenienti dai confini più remoti dello spazio”, ha affermato Basu. “Ci permettono di studiare le dinamiche di ambienti estremi a energie che semplicemente non possiamo replicare sulla Terra.”

Il flusso totale di questi neutrini sulla Terra, noto come flusso diffuso di neutrini astrofisici, è la somma delle emissioni di tutte le sorgenti di neutrini presenti nell’universo osservabile. Mappare come questo flusso varia con l’energia aiuta i ricercatori a comprendere quali tipi di sorgenti sono dominanti e come i raggi cosmici vengono accelerati a energie così elevate.

Riesaminare lo spettro

Da quando IceCube ha rilevato per la prima volta i neutrini astrofisici ad alta energia nel 2013, la collaborazione si è impegnata a caratterizzare il comportamento del loro flusso a diverse energie. Per anni, i dati sono stati ben descritti da una singola legge di potenza, un modello semplice in cui il numero di neutrini diminuisce gradualmente all’aumentare dell’energia. Ma ci sono stati indizi di qualcosa di più complesso.

Precedenti analisi di IceCube avevano indicato un possibile eccesso o una discontinuità nello spettro vicino ai 30 TeV, dove il flusso di neutrini sembrava comportarsi in modo diverso da quanto previsto dalla coda ad alta energia. Nessuno di questi indizi, tuttavia, era statisticamente sufficientemente forte da confermare una caratteristica reale.

Il presente lavoro riprende la questione con più dati, una selezione più precisa degli eventi e un trattamento migliorato delle incertezze sistematiche. L’obiettivo è verificare se lo spettro segue un’unica legge di potenza o presenta una struttura aggiuntiva.

Due analisi indipendenti, un solo rivelatore

L’ osservatorio di neutrini IceCube utilizza 5.160 sensori ottici sepolti in un chilometro cubo di ghiaccio glaciale antartico al Polo Sud. Quando un neutrino interagisce occasionalmente con un nucleo nel ghiaccio, produce uno sciame di particelle cariche che viaggiano più velocemente della luce attraverso il ghiaccio, emettendo una debole luce blu chiamata luce Cherenkov che viene rilevata dai sensori.

“Poiché i neutrini interagiscono molto raramente, è necessario un grande volume del rivelatore, con un mezzo trasparente per trasmettere i segnali della luce Cherenkov”, ha spiegato Balagopal V. “Ecco perché IceCube utilizza 1 chilometro cubo di ghiaccio molto trasparente, facilmente reperibile in Antartide. Il rivelatore è inoltre sepolto a 1,5 km di profondità, il che riduce il rumore di fondo dovuto agli sciami atmosferici di raggi cosmici.”

Per testare la forma dello spettro dei neutrini, il team ha eseguito due analisi indipendenti su set di dati sovrapposti ma distinti. La prima, chiamata Combined Fit, ha unito due set di dati esistenti. Uno era un ampio campione di eventi simili a tracce, prodotti quando i neutrini muonici attraversano il ghiaccio e lasciano una lunga linea di luce. L’altro era un campione di eventi a cascata, ovvero gli sciami più compatti prodotti dall’interazione di altri tipi di neutrini.

La seconda analisi, denominata Medium Energy Starting Events (MESE), si è concentrata sui neutrini che interagiscono all’interno del rivelatore stesso, fornendo un campione più pulito che cattura naturalmente tutti e tre i tipi di neutrini: elettronici, muonici e tau. Ciascuna analisi ha adattato ai dati quattro possibili modelli spettrali: una singola legge di potenza, una legge di potenza con un taglio esponenziale, una parabola logaritmica e una legge di potenza spezzata.

“Ciascuna analisi ha misurato lo spettro in modo indipendente. Entrambe le analisi hanno affrontato la misurazione in due modi diversi e hanno ottenuto risultati molto simili”, ha affermato Karle.

Una rottura vicino a 30 TeV

Entrambe le analisi sono giunte alla stessa conclusione. Il modello a legge di potenza spezzata è risultato quello preferito, mentre il modello a legge di potenza singola è stato scartato con una significatività superiore a 4σ in entrambi i casi. I dati favoriscono uno spettro più duro alle basse energie che alle alte energie, con la transizione che si verifica intorno ai 30 TeV.

“Uno spettro ‘più duro’ è quello in cui il flusso diminuisce meno con l’aumentare dell’energia, o in altre parole, dove la pendenza dello spettro è meno ripida”, ha spiegato Basu. “Ciò che questo significa per i nostri risultati è che osserviamo un flusso di neutrini inferiore a energie più basse rispetto a quanto previsto dalla semplice estrapolazione dello spettro ripido alle alte energie”, ha aggiunto Balagopal V.

L’indice spettrale è il numero che descrive la velocità con cui il flusso di neutrini diminuisce con l’energia. Un indice più elevato indica una diminuzione più ripida, con un numero proporzionalmente inferiore di neutrini ad alta energia.

Nell’analisi MESE, l’indice a bassa energia era 1,72 e l’indice ad alta energia era 2,84, il che significa che lo spettro diventa notevolmente più ripido al di sopra del punto di rottura. Il Combined Fit ha restituito 1,31 e 2,74 per gli stessi parametri, confermando lo stesso risultato. Queste due analisi lavorano insieme: MESE fornisce vincoli più stringenti sulla pendenza a bassa energia, mentre il Combined Fit vincola meglio la pendenza ad alta energia.

Il team ha anche testato un modello di parabola logaritmica, che cattura la curvatura spettrale anziché una brusca interruzione. Sebbene anche questo modello abbia ottenuto risultati migliori rispetto alla singola legge di potenza, la legge di potenza a tratti è rimasta la soluzione preferibile in entrambe le analisi.

Cosa succederà dopo?

Una discontinuità nello spettro dei neutrini diffusi ha implicazioni per le sorgenti che producono queste particelle. Gli autori osservano che potrebbe segnalare un cambiamento nelle popolazioni o nella dinamica delle sorgenti che contribuiscono a tale fenomeno, e che il fondo di neutrini diffusi potrebbe persino rivelare prove di nuova fisica, come i neutrini prodotti dal decadimento o dall’annichilazione della materia oscura.

Il risultato attenua inoltre una persistente discrepanza tra le misurazioni di IceCube e il fondo diffuso di raggi gamma extragalattici. L’estrapolazione della vecchia legge di potenza singola fino all’intervallo 1-10 TeV implicava un numero di neutrini superiore a quello compatibile con il flusso di raggi gamma osservato. La nuova misurazione riduce tale discrepanza prevedendo un numero inferiore di neutrini a basse energie rispetto al vecchio modello.

“Questi risultati rappresentano un primo passo importante per una migliore risoluzione e comprensione dello spettro dei neutrini su scale TeV-PeV e per il collegamento con il più ampio quadro multimessaggero, grazie anche alle misurazioni complementari dello spettro dei raggi gamma MeV-GeV”, ha affermato Karle. “Analisi spettrali dei neutrini più raffinate, con modelli migliorati, sono già in corso e contribuiranno in modo significativo a far luce sulle dinamiche delle sorgenti di neutrini nell’universo ad alta energia.”

Abstract

Riportiamo misurazioni migliorate dello spettro astrofisico dei neutrini di tutti i sapori con IceCube combinando campioni di neutrini complementari in due analisi indipendenti. Entrambe le analisi mostrano evidenze di uno spettro più duro a energie inferiori a ∼30  TeVrispetto alle energie più elevate dove lo spettro è ben caratterizzato da una legge di potenza. Lo spettro è meglio descritto da una parabola logaritmica o da una legge di potenza spezzata, quest’ultima essendo il modello preferito. Entrambi, tuttavia, rifiutano una singola legge di potenza su un intervallo di energia 5 TeV–10 PeV con una significatività >4⁢, fornendo nuovi vincoli sulle proprietà delle sorgenti di neutrini cosmici.

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