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La nascita ‘in diretta’ di un buco nero

I buchi neri sono gli oggetti più enigmatici e affascinanti dell’Universo. Di essi conosciamo molto poco e, nonostante sia noto che essi esistono nelle binarie-X che nei nuclei galattici attivi, non ne abbiamo mai visto uno in formazione. Oggi, però, gli scienziati sperano di utilizzare gli esperimenti sui neutrini, come il prossimo denominato Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), attraverso i quali si spera di “assistere in diretta” alla nascita di uno di essi.

Siete fortunati!”, afferma Mark Thomson, co-portavoce di DUNE. “Sarebbe una delle scoperte più importanti della scienza. Sarebbe davvero incredibile”. I buchi neri si formano quando una stella massiccia, tipicamente più di 8 volte la massa del Sole, collassa sotto l’effetto della propria gravità. Ma ci sono tutta una serie di problematiche che rimangono ancora irrisolte: ad esempio, qual è la frequenza di un tale fenomeno e quando si forma in definitiva un buco nero durante il processo del collasso gravitazionale? Ciò che gli scienziati sanno è che nelle profondità del denso nucleo stellare, i protoni, neutroni ed elettroni sono super ammassati: in queste condizioni estreme, vengono prodotte “particelle fantasma”, chiamate neutrini, che si propagano verso l’esterno. La materia precipita verso l’interno, anche se nei libri di testo si legge che “la materia rimbalza ed esplode, lasciandosi dietro una stella di neutroni”. A volte, però, il processo che porta alla supernova viene a mancare dato che non c’è alcuna esplosione: in questo caso si può formare un buco nero.

La doppia infrastruttura lunga 1300 Km che separa il Fermilab e la Sanford Underground Research Facility. Credit: Fermilab

Gli enormi rivelatori di DUNE, riempiti con argon liquido, saranno posizionati a circa 1,5 chilometri al di sotto della superficie terrestre, all’interno di una miniera d’oro. Mentre per la maggior parte del tempo saranno dedicati alla rivelazione dei neutrini “sparati” dal Fermilab, che si trova a circa 1.200 chilometri di distanza, i rivelatori avranno la rara capacità di “catturare” il collasso gravitazionale di un nucleo stellare nella nostra galassia, nel caso o meno esso porti poi alla formazione di un nuovo buco nero. L’unica supernova che sia mai stata registrata dai rivelatori di neutrini risale al 1987 (SN 1987A) quando gli scienziati osservarono in totale 19 neutrini. Non è ancora noto se quella supernova abbia prodotto un buco nero o una stella di neutroni, perché non c’erano abbastanza dati. Secondo Thomson, se ci sarà l’esplosione di una stella nelle vicinanze, DUNE sarà in grado di rivelare fino a 10.000 neutrini. DUNE cercherà un particolare segnale nei neutrini che saranno raccolti dal rivelatore. Secondo i modelli, durante l’esplosione di una stella un buco nero dovrebbe formarsi relativamente presto. I neutrini sfuggiranno al collasso nucleare in gran numero prima che emerga il buco nero, che intrappolerà qualsiasi cosa presente nella sua “morsa”, inclusa la luce e gli stessi neutrini. In termini di dati, ciò significa avere una violenta emissione di neutrini (quello che tecnicamente viene chiamato “burst”) seguito da un improvviso smorzamento del segnale (“cut-off”). Conosciamo tre tipi di neutrini, detti anche “sapori”: il neutrino elettronico, il neutrino muonico e il neutrino tauonico. Quando una stella esplode, essa emette tutti i vari tipi di neutrini, così come le rispettive antiparticelle. Il problema è che sono difficili da catturare. Questi neutrini arrivano con una energia 100 volte inferiore rispetto a quelli emessi da un acceleratore per esperimenti, il che li rende difficili da catturare. La maggior parte dei grandi rivelatori di particelle che sono in grado di “vedere” i neutrini emessi durante una supernova sono i migliori nel rivelare gli antineutrini elettronici ma non lo sono altrettanto nel caso dei neutrini elettronici, le controparti della materia. “Sarebbe una tragedia non trovarsi pronti a raccogliere tanti neutrini e studiarli in grande dettaglio in modo da tentare di rispondere ad alcune domande chiave”, dice John Beacom, direttore del Center for Cosmology and Astroparticle Physics (CCAPP) presso la Ohio State University. Fortunatamente, DUNE è un apparato unico. “L’unico rivelatore così sensibile ad una enorme cascata di neutrini elettronici è proprio DUNE”, aggiunge Kate Scholberg della Duke University. “Tutto questo grazie all’argon che sarà la parte fluida del rivelatore”. Tuttavia, occorrerà molto più di DUNE per avere il quadro completo. “Avere un’intero insieme di rivelatori enormi, potenti e di diverso tipo rappresenterà il modo migliore per studiare la nascita di un buco nero”, dice Beacom.

Esiste attualmente un progetto per un rivelatore a scintillazione, JUNO, in lavorazione in Cina [arXiv] e un altro studio per la realizzazione di un rivelatore che sarà dotato invece di un enorme serbatoio d’acqua, Hyper-Kamiokande, in Giappone [arXiv]. I rivelatori di onde gravitazionali, come LIGO, dovrebbero raccogliere un’ulteriore informazione sulla densità di materia e su ciò che accade durante il collasso gravitazionale. “Il mio sogno è quello di studiare una supernova con JUNO, Hyper-K e DUNE allo stesso tempo”, dice Scholberg. Il tasso con cui arrivano i neutrini dopo l’esplosione di una stella dirà agli scienziati ciò che sta accadendo nelle regioni centrali in cui si ha il collasso del nucleo e fornirà altre informazioni sui neutrini, cioè sulla massa e su come essi interagiscono.

Entro i prossimi tre anni, la collaborazione dei fisici che lavorano al progetto DUNE sarà quasi al completo e inizieranno i primi test su un prototipo di rivelatore che conterrà alla fine 40.000 tonnellate di argon liquido. La versione di prova, che sarà di 400-ton e i cui test sono programmati al CERN a partire dal 2018, rappresenterà il secondo più grande esperimento di questo tipo che sia mai stato costruito. DUNE inizierà ad assemblare nel 2021 il primo dei suoi quattro rivelatori presso la Sanford Underground Research Facility.

Symmetry Magazine: The birth of a black hole, live
Symmetry Magazine: The dawn of DUNE
Building for Discovery: Strategic Plan for U.S. Particle Physics in the Global Context: Report of the Particle Physics Project Prioritization Panel (P5)
arXiv: Neutrino Physics with JUNO
arXiv: The Hyper-Kamiokande Experiment --- Detector Design and Physics Potential

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