Premio Rossi 2021 a F. Halzen e alla collaborazione IceCube

Il Premio Bruno Rossi viene assegnato ogni anno dall’American Astronomical Society a chi si è contraddistinto “per un significativo contributo all’Astrofisica delle Alte Energie, con particolare enfasi sul lavoro recente e originale”.

Bruno Rossi fu professore di fisica sperimentale a Padova dal 1932 al 1938, quando fu costretto ad emigrare a causa delle leggi razziali introdotte dal fascismo.

Il Premio Bruno Rossi 2021 è stato assegnato a Francis Halzen e alla Collaborazione IceCube “per la scoperta di un flusso di neutrini ad alta energia di origine astrofisica”.

Lo scorso anno il Dipartimento di Fisica e Astronomia ha avuto l’onore di ospitare Halzen per un Colloquium DFA. Ecco il video.

Il telescopio IceCube

Il telescopio di neutrini IceCube è il primo rivelatore del suo genere, studiato per osservare il Cosmo dalle profondità del ghiaccio antartico presso la stazione Amundsen-Scott al Polo Sud. Attrezzando con sistemi di rivelazione di radiazione il volume di un chilometro cubo di ghiaccio, alla profondità tra 1,5 e 2,5 chilometri dalla superficie, IceCube è concepito per la osservazione di neutrini, particelle neutre, praticamente prive di massa, che interagiscono con la materia esclusivamente mediante la forza debole. Grazie alle loro caratteristiche distintive, i neutrini rappresentano messaggeri astronomici unici ed in grado di fornirci informazioni sugli eventi astrofisici più violenti ed estremi, quali esplosioni stellari, gamma-ray bursts ed eventi cataclismici che coinvolgono buchi neri e stelle di neutroni.

IceCube e l’astrofisica multi-messaggera

Nel 2013 l’esperimento IceCube ha rivelato l’esistenza di neutrini cosmici di alta energia, ovvero superiore ad alcune decine di TeV, risultato che ha rivoluzionato l’astrofisica sia sperimentale sia teorica, aprendo una nuova finestra osservativa sull’Universo. Questo risultato è stato premiato, tra gli altri, come Breakthrough dell’anno dalla rivista Physics World.

Nel 2017 un’altra importante scoperta ha coronato la Collaborazione IceCube: la prima identificazione di una possibile sorgente di neutrini cosmici, la blazar TXS 0506+056 risultata in uno stato eccezionale di emissione di raggi gamma. La scoperta è stata possibile grazie al sistema di allerte della Collaborazione IceCube, risultato di molti anni di lavoro di cui Elisa Bernardini*, ora docente del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Padova, è stata pioniera e promotrice.

Il 22 Settembre 2017 IceCube ha ovvero rivelato un neutrino di alta energia, circa 290 TeV, dal nome di IceCube-170922A. A circa 40 secondi dalla sua sua rivelazione l’intera comunità astrofisica è stata allertata mediante la rete Gamma-ray Coordinates Network (GCN), rendendo possibile uno sforzo osservativo globale che coinvolto più di 18 apparati per l’osservazione della radiazione cosmica e 1000 scienziati.

L’allerta di IceCube è stata presa in consegna da una moltitudine di strumenti tra cui i telescopi MAGIC — realizzati con importanti contributi di ricercatori padovani — che, per la prima volta, hanno rivelato fotoni di energie fino a 400 GeV grazie ad un programma di follow-up il cui PI è da sempre la stessa Elisa Bernardini. I dati raccolti dalle campagne osservative allertate da IceCube hanno consentito di raccogliere informazioni fondamentali a corroborare l’ipotesi multi-messaggera. Con un’evidenza statistica di poco superiore a 3 sigma, questa è considerata la prima osservazione multi-messaggera di un neutrino di alta energia e fotoni.

Il rivelatore IceCube, noto anche come Antarctic Neutrino Observatory, è stato concepito come un esperimento multiuso. Include un reticolo di oltre 5000 fotorivelatori installati nel ghiaccio, una frazione dei quali disposta ad alta densità (DeepCore infill array) per l’osservazione di neutrini di energie più basse (ordine decine di GeV) ed un rivelatore di sciami estesi in superficie (detto IceTop).

Grazie alla configurazione sperimentale articolata e ottimizzata per la rivelazione di varie classi di particelle primarie e secondarie, la Collaborazione IceCube si occupa di vari temi fondamentali della Fisica: oltre allo studio degli eventi astrofisici più estremi nell’Universo, importanti risultati sono al centro del dibattito internazionale e spaziano dalla natura della Materia Oscura alle proprietà stesse dei neutrini. IceCube ha anche consentito lo studio dei Raggi Cosmici che interagiscono con l’atmosfera terrestre, rivelando misteriose strutture la cui origine non è ancora riconosciuta.

Il progetto del Dipartimento di Fisica e Astronomia per l’astrofisica neutrinica

Nel 2020 il Dipartimento di Fisica e Astronomia di Padova ha approvato il progetto “Neutrino astrophysics: bridging the observations from MeV to PeV energies”. Obiettivo è lo sviluppo di una piattaforma per la rivelazione di neutrini astrofisici, comune a vari esperimenti dedicati ai neutrini in un ampio range di energie, dal MeV al PeV. L’iniziativa promossa da Giovanni Busetto include ricercatori del DFA e dell’INFN coinvolti negli esperimenti SuperKamiokande (energie MeV- 100 GeV) ed IceCube (energie 100 GeV-PeV) e prevede un possible futuro coinvolgimento di altri gruppi.

*Elisa Bernardini, è attualmente membro della Collaborazione IceCube attraverso la sua precedente sede di lavoro, il Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY). Una richiesta di ingresso del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Padova nella Collaborazione IceCube è in fase di preparazione.

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