Neutrini e supernovae: 21 anni di misure con LVD

In un recente articolo, pubblicato nel mese di marzo sulla rivista The Astrophysical Journal, sono stati discussi i risultati sperimentali sulla frequenza di esplosioni di supernovae (SN) nella Galassia, ottenuti dall'analisi di circa 21 anni di dati del Large Volume Detector (LVD), in funzione presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN).

Poiché l'esplosione di una supernova è un fenomeno molto intenso ma raro e imprevedibile, l'esperimento LVD, con una massa sensibile di circa 1000 tonnellate di scintillatore liquido, è in presa dati con continuità dal 9 giugno 1992. I risultati pubblicati riguardano l'analisi sistematica dei dati raccolti fino al 31 dicembre 2013, per un totale di 7335 giorni di misura con un’efficienza media del 93% (superiore al 99% dal 2001).

In LVD, a 1400 m di profondità nelle viscere del massiccio del Gran Sasso d’Italia, come in tutti i rivelatori sotterranei, il segnale fisico interessante è quello prodotto dalle interazioni della componente penetrante dei raggi cosmici, quali neutrini e muoni prodotti dagli sciami estesi nell'atmosfera terrestre, e dalle più rare interazioni di neutrini extraterrestri. Tra questi ultimi, in particolare, si cerca il burst di neutrini di tutte le specie emesso su tempi che possono variare tra 1 e 100 s durante il collasso gravitazionale di oggetti compatti di grande massa: le supernovae. Da notare che LVD è anche membro fondatore, dal 1998, della rete internazionale SNEWS (SuperNova Early Warning System), un sistema di allerta in tempo reale della possibile esplosione di una supernova galattica, rivelata con i neutrini prima ancora delle eventuali osservazioni ottiche.

L'esigenza di un potente "osservatorio neutrinico" è stata una delle principali motivazioni del Progetto Gran Sasso, formalmente approvato dal Parlamento italiano nel 1982, in seguito a una lungimirante proposta avanzata alcuni anni prima da Antonino Zichichi, allora Presidente dell'INFN. I lettori interessati a conoscere la storia, le motivazioni, gli esperimenti e i risultati ottenuti fino a pochi anni fa dagli esperimenti presso i Laboratori del Gran Sasso, possono leggere l'interessante libro dal titolo "Trent'anni di Gran Sasso", edito nel 2010 a cura del Consiglio della Società Italiana di Fisica.

Ritornando ai risultati di LVD, essi mostrano che, in questi 21 anni di misure, non c'è stata evidenza sperimentale di alcun collasso stellare nella nostra Galassia. L’assenza di un segnale osservabile permette di calcolare il limite superiore alla frequenza di questi eventi nella Via Lattea: 0.114 y^-1 al 90% di livello di confidenza, ovvero poco meno di 1 evento ogni 9 anni. Il limite sperimentale di LVD riguarda il modello “standard” del collasso gravitazionale di una stella di grande massa, indipendentemente dal fatto che al collasso segua o meno l'esplosione della stella con conseguente emissione della controparte ottica, ancorché non visibile all’osservatore. Tuttavia anche nel caso delle supernovae fallite, ossia quando il collasso produce un buco nero e non è accompagnato dall'esplosione dell'inviluppo esterno, il segnale atteso, molto più breve (minore di 1 s) ma analogamente intenso, è discusso in questa analisi.

Il risultato finale di LVD, sensibile con piena efficienza a sorgenti distanti fino a 25 kpc, è il miglior limite sperimentale finora ottenuto tra tutti i rivelatori dedicati allo studio di questo fenomeno astrofisico.