L’”ultra neutrino” potrebbe essere partito dai blazar

KM3NeT/ARCA è un rivelatore di neutrini immerso nelle profondità del mare al largo della Sicilia. Nonostante sia ancora in costruzione, il 13 febbraio 2023 ha registrato un segnale straordinario: il passaggio di un neutrino che, con circa 220 PeV, superava di gran lunga le energie di tutti i neutrini ad alta energia osservati fino a quel momento. Anche la comunità scientifica è stata colta di sorpresa dall’evento: cosa potrebbe aver generato una particella con caratteristiche così eccezionali?

Per rispondere a questa domanda, la collaborazione ha lavorato un po’ come fanno gli investigatori forensi che cercano di dedurre chi o cosa abbia lasciato una traccia sulla scena di un crimine: partendo da un’ipotesi iniziale, hanno simulato gli eventi che potrebbero essere avvenuti e poi hanno confrontato i risultati con le osservazioni reali.

L’ipotesi degli autori — una tra diverse proposte nell’ultimo anno — è che il neutrino di energia ultra-elevata possa essere stato prodotto in una classe specifica di blazar. “Esistono diverse possibili spiegazioni per l’origine di questa particella,” spiega Meriem Bendahman, ricercatrice all’INFN di Napoli e membro della collaborazione KM3NeT, tra gli autori dello studio (che conta centinaia di contributori). “Per esempio, è stato proposto che neutrini di questo tipo vengano generati quando i raggi cosmici di energia ultra-elevata interagiscono con la radiazione cosmica di fondo a microonde, la luce residua dell’Universo primordiale. Ma esiste anche la possibilità che il neutrino provenga da un flusso diffuso prodotto da una popolazione di acceleratori estremi, come i blazar.”

Una sorgente diffusa

Bendahman spiega che ci sono motivi per ritenere che il neutrino osservato non abbia avuto origine da un singolo evento improvviso e identificabile — come un’esplosione o un flare (una sorta di flash cosmico). In casi simili, gli scienziati cercano una “controparte” elettromagnetica, cioè un segnale nelle emissioni radio, ottiche, nei raggi X o nei raggi gamma proveniente dalla stessa regione del cielo in coincidenza con la rivelazione del neutrino.

Nel caso dell’evento di tre anni fa, non è stata però trovata alcuna controparte elettromagnetica. “Questo non esclude completamente la possibilità di una sorgente puntiforme,” osserva Bendahman, “ma ci porta a pensare che il nostro neutrino possa provenire da un fondo diffuso — cioè da un flusso di neutrini che include contributi da molte sorgenti.”

“Abbiamo quindi simulato una popolazione di blazar utilizzando un software open source chiamato AM3, con parametri fisicamente motivati,” spiega Bendahman. Per costruire un modello realistico di blazar, i ricercatori hanno fissato molti parametri a valori già noti da altre osservazioni indipendenti, come l’intensità del campo magnetico o la dimensione della regione di emissione.

Nelle simulazioni gli autori hanno variato principalmente due parametri chiave: il baryonic loading, che indica quanta energia è trasportata dai protoni rispetto agli elettroni (e quindi quanti neutrini possono essere prodotti), e l’indice spettrale dei protoni, che determina come è distribuita l’energia dei protoni e quanto è probabile che raggiungano energie estreme.

Per ogni combinazione di questi due parametri, hanno calcolato sia il flusso diffuso di neutrini sia il corrispondente flusso di raggi gamma, da confrontare con i dati osservativi.

Il confronto con IceCube e Fermi-LAT

Uno dei punti di forza del lavoro di Bendahman e colleghi è il suo approccio integrato: oltre ai dati di KM3NeT/ARCA, gli autori hanno considerato anche le osservazioni dell’IceCube Neutrino Observatory e del telescopio spaziale per raggi gamma Fermi Gamma-ray Space Telescope. Non si sono basati solo su ciò che è stato osservato, ma anche — e forse soprattutto — su ciò che questi strumenti non hanno osservato.

L’assenza di eventi comparabili di energia ultra-elevata nei dataset di neutrini esistenti, compresi quelli di IceCube, suggerisce che fenomeni di questo tipo siano estremamente rari. Qualsiasi modello plausibile deve quindi essere in grado di spiegare anche questa assenza. Lo scenario proposto soddisfa questo vincolo.

Inoltre, poiché la produzione di neutrini è generalmente accompagnata da emissione di raggi gamma, gli autori hanno verificato che il contributo dei blazar non superi il fondo extragalattico di raggi gamma misurato da Fermi.

In questo modo, Bendahman e colleghi hanno mostrato che una popolazione di blazar è una sorgente plausibile del neutrino di energia ultra-elevata: “Abbiamo modellato una popolazione realistica di blazar con parametri fisicamente motivati e abbiamo scoperto che questa popolazione potrebbe spiegare l’origine di questo evento di energia ultra-elevata, rimanendo allo stesso tempo coerente con i vincoli derivanti dalle osservazioni di raggi gamma e neutrini.”

KM3NeT: il meglio deve ancora venire

L’ipotesi che una popolazione di blazar possa essere all’origine dell’evento è promettente, ma deve essere testata con nuovi dati. “Abbiamo bisogno di più dati osservativi,” spiega Bendahman. “KM3NeT è ancora in costruzione e abbiamo rilevato questo neutrino di energia ultra-elevata con una configurazione solo parziale. Con il rivelatore completo e più dati, potremo effettuare analisi statistiche più potenti e aprire una nuova finestra sull’universo dei neutrini di energia ultra-elevata.” Al momento dell’osservazione erano infatti attive solo 21 linee di rivelazione di KM3NeT, pari a circa il 10% del volume finale previsto dell’apparato.

Se confermata, questa interpretazione della collaborazione KM3NeT fornirebbe nuove indicazioni sulla capacità dei blazar di accelerare particelle a energie ancora più estreme di quanto ipotizzato finora. “Non abbiamo mai osservato prima un neutrino con un’energia così elevata e, se si scoprisse che proviene da acceleratori cosmici come i blazar,” conclude Bendahman, “potremmo ottenere nuove informazioni su come questi oggetti riescano a emettere particelle a energie oltre quelle che ci aspettavamo.”