COME ALLA CORTE DI FEDERICO II
OVVERO
PARLANDO E RIPARLANDO DI SCIENZA
IL LATO… OSCURO DELL’UNIVERSO
di Massimo Della Valle
9
IL SOLE NERO
di Marcella Marconi
11
I PRIMI TRE MINUTI
di Giuseppe Longo
13
POSSIAMO PARLARE DI “COSMOLOGIA DI PRECISIONE”?
di Salvatore Capozziello
15
L’ULTIMO TRENO PER IL RITORNO AL PASSATO
di Giancarlo BarbarinR
1
Il sereno è cosparso d'orribili Soli morti,
sedimenti densissimi d'atomi stritolati....
La luce stessa ricade, rotta dal proprio peso...
[da ‘Le Stelle Nere’ di Primo Levi]
Gli articoli degli incontri si trovano all’indirizzo
www.comeallacorte.unina.it
Massimo Della Valle si è laureato in Astronomia
presso l’Università degli Studi di Padova nel 1983.
Ha iniziato il Dottorato di Ricerca, presso
l’Osservatorio Astronomico di Byurakan in Armenia
(allora ancora parte dell’URSS), che ha poi
terminato a Padova nel 1988.
Si occupa di esplosioni stellari, come le
Supernovae e i Lampi Gamma, che utilizza per
misurare le dimensioni dell’Universo.
Fanno spicco, a partire dal 1998, le sue
collaborazioni con i tre vincitori del Nobel per la
Fisica 2011 (Saul Perlmutter, Adam Riess e Brian
P. Schmidt) per la scoperta dell’accelerazione
dell’Universo. In particolare è coautore con
Perlmutter del primo lavoro, pubblicato sulla
rivista Nature nel Gennaio del 1998, che ha dimostrato l’esistenza dell’espansione
accelerata dell’Universo.
Nel 1989 è stato “Fellow” presso la SISSA_Scuola di Studi Superiori Avanzati di
Trieste. Dal 1990 al 1994 ha lavorato in Cile presso l’ESO_European Southern
Observatory, il maggior osservatorio astronomico operante da Terra. Nel 1995 è
rientrato in Italia come ricercatore presso il Dipartimento di Astronomia dell’Università
degli Studi di Padova. Nel 1999 è diventato Astronomo Associato presso l’Osservatorio
Astrofisico di Arcetri e professore a contratto di “Tecniche ottiche e radio in
Astronomia” presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Ferrara. Dal 2007 è
“Dirigente di Ricerca” dell’INAF_Istituto Nazionale di Astrofisica e professore presso il
ICRANet_Centro Internazionale di Astrofisica Relativistica.
Nel 2008 ha operato presso la “Divisione Strumenti” dell’ESO di Monaco di Baviera,
dove ha lavorato al progetto E-ELT_European Extremely Large Telescope, un
telescopio di 40 m che inizierà ad operare nel 2023.
Dall’1 aprile 2010 è Direttore dell’Osservatorio Astronomico di Capodimonte - INAF
Istituto Nazionale di AstroFisica di Napoli. È rappresentante italiano, in seno al
Consiglio Scientifico, dell’International Center for Relativistic Astrophysics.
In qualità di “sabbatical scientist” ha tenuto seminari e corsi universitari in importanti
centri internazionali per la ricerca astrofisica come il Dipartimento di Astronomia
dell’Università di Tokyo, il KAVLI Institute dell’Università di Santa Barbara in
California, il KAVLI Institute di Beijing, l’Hubble Space Telescope Institute di
Baltimora, l’Aspen Center for Physics, in Colorado, il Niels Bohr Institute di
Copenhagen, la Queen’s University di Belfast e l’Università Sophia Antipolis di Nizza.
Ha coordinato nella sua carriera più di cento proposte osservative poi svolte nei
maggiori Osservatori al mondo e numerosi programmi di ricerca finanziati dal
Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca.
È autore di circa quattrocento pubblicazioni apparse su riviste scientifiche
internazionali. Unisce l’impegno per gli studi scientifici con l’attività di promozione e
divulgazione della cultura scientifica in Italia e all’estero.
UNIVERSITÀ D STUDI DI NAPOLI FEDERICO II
COME ALLA CORTE DI FEDERICO II
Il lato... oscuro dell’Universo
IL LATO OSCURO DELL’UNIVERSO
galassie. È invisibile ai nostri telescopi perché è
incapace di emettere “luce”, da qui il nome
Massimo Della Valle
“materia oscura”. Gli astrofisici convivono con
Direttore Osservatorio Astronomico di Capodimonte
Istituto Nazionale di Astrofisica
questo mistero da più di ottanta anni e stanno
cercando
in
tutti
i
modi
di
identificare
le
particelle elementari costituenti questa strana
forma
di
materia.
Uno
dei
tentativi
più
promettenti è quello di cercarla con i grandi
È nel destino dell’uomo confrontarsi con
acceleratori di particelle, come il Large Hadron
il lato oscuro dell’universo. Ha iniziato l’uomo
Collider del CERN a Ginevra. A partire dalla fine
antico osservando il cielo, e nel cielo la Luna con
degli anni ’90 la situazione si è ulteriormente
il suo lato oscuro mai osservato dall’occhio
complicata. Nel 1998 due team di astronomi
umano,
utilizzarono un particolare tipo di esplosioni
prima
che
le
missioni
spaziali
lo
rendessero accessibile. A fine ‘800 Sigmund
stellari
Freud obbliga l’uomo a confrontarsi con il suo
rallentamento
“lato oscuro”: l’Unbewusst, l’inconscio, che non
dell’Universo.
si conosce, ma che determina le nostre condotte
l’Universo
intellettuali e sociali e i nostri legami affettivi.
espansione,
Qui il parallelo con l’astrofisica è sorprendente.
effetto della gravitazione prodotta al suo interno,
Nel 1933 l’astronomo svizzero Fritz Zwicky stava
ma accelerava.
misurando le velocità delle galassie appartenenti
sua
all’ammasso della Chioma, una congerie di più di
misteriosa,
1000
oscura”.
galassie
radunate
in
un
volume
(le
Supernovae)
del
Il
non
tasso
risultato
stava
come era
per
misurare
di
il
espansione
fu
sconcertante:
rallentando
la
sua
logico aspettarsi
per
L’Universo sta accelerando la
espansione
che
sospinto
oggi
da
un’energia
chiamiamo
“energia
Le conseguenze di questa scoperta ci
relativamente piccolo di spazio, distante circa
lasciano attoniti. L’Universo nel quale viviamo è
450 milioni di anni luce. Zwicky si rese conto che
costituito per il 70% di “energia oscura”, per il
le galassie si muovevano troppo velocemente
25% di “materia oscura” e per il restante 5% di
rispetto al legame gravitazionale prodotto dalla
materia “ordinaria”.
materia, che osserviamo al telescopio (vedi
oggi noi conosciamo dell’Universo è basato
figura).
essenzialmente su quel misero 5% di materia
L’astronomo
svizzero
giunse
alla
Quindi, tutto quello che
conclusione che circa il 90% della materia
visibile, la cosiddetta materia barionica.
contenuta nell’ammasso della Chioma doveva
tutt’oggi non sappiamo di cosa sia fatta la
essere presente sottoforma di materia “oscura”.
“materia oscura” e quale sia l’origine dell’
La materia “oscura” non si vede e non si
“energia oscura”, quindi ignoriamo la natura del
conosce, sfugge alla visione del telescopio, ma
95% dell’Universo nel quale viviamo.
determina con la sua azione gravitazionale la
scoperta
dinamica delle galassie e degli ammassi di
scoperta”) valse a Saul Perlmutter, Adam Riess
(o
paradossalmente
questa
A
Questa
“non
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Il lato... oscuro dell’Universo
and Brian Schmidt il premio Nobel per la fisica
sottoscritto) la soddisfazione di aver contribuito
nel 2011, e ai due italiani coinvolti in questa
a questo risultato che sfida il nostro sapere nel
splendida avventura scientifica (Nino Panagia,
perenne
dello Space Telescope Institute di Baltimore e il
dell’Universo.
confronto
con
“il
lato
oscuro”
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Il lato... oscuro dell’Universo
IL SOLE NERO
riscaldarsi. Si raggiungeranno temperature altissime tali da provocare l’espansione degli strati di
Marcella Marconi
idrogeno sovrastanti il nucleo. Il raggio del Sole
Astronoma Osservatorio Astronomico di Capodimonte
Istituto Nazionale di Astrofisica
aumenterà a dismisura, più di 100 volte rispetto
alle dimensioni attuali, e la stella diventerà una
Gigante Rossa. In questa fase il Sole inghiottirà
l’orbita di Mercurio, di Venere e anche quella
Il Sole è nato 4,6 miliardi di anni fa dal
della
Terra.
Le
future
generazioni
per
collasso di una nebulosa di gas e polveri. Per
sopravvivere alla “fine del Mondo” dovranno
diventare una stella, il suo nucleo si è contratto
trovare il modo di emigrare su Marte o su
sotto l’azione della gravità riscaldandosi fino a
qualche luna di
raggiungere la temperatura di dieci milioni di
probabilmente dovranno trovare rifugio in un
gradi, sufficienti per iniziare la reazione nucleare
pianeta orbitante attorno ad un’altra stella: cioè
di fusione dell’idrogeno in elio. Ogni secondo
bisognerà traslocare in un altro Sistema Solare.
circa 600 milioni di tonnellate d’idrogeno sono
Dopo la fase di Gigante Rossa il nucleo del Sole
trasformate in elio ed energia. La quantità di
inizierà a contrarsi nuovamente e la temperatura
energia prodotta dal Sole in un secondo è
al suo interno ad aumentare, fino a circa 100
enorme, pari a 100
milioni
l’energia
sprigionata
distrusse
Hiroshima.
quotidianamente
mila miliardi di volte
alle
dall’esplosione
Sulla
Terra
prese
con
di
Giove o Saturno, ma più
gradi,
iniziando
la
combustione
che
dell’elio. La fusione dell’elio durerà poche decina
siamo
di milioni di anni e i prodotti della fusione,
problemi
essenzialmente
Carbonio,
si
accumuleranno
energetici, fa riflettere il fatto che meno di un
inerti nel nucleo. Infatti, la massa del Sole non è
miliardesimo
abbastanza grande da far sì che questi prodotti
di
questo
smisurato
flusso
di
radiazione viene intercettato dal nostro pianeta,
possano
la quasi totalità si disperde nello spazio. Il nostro
successive reazioni nucleari fino a culminare
Sole è una stella di piccola massa, come tante ce
nell’esplosione
ne sono nella Via Lattea, circa 100 miliardi,
seconda fase di espansione con la perdita degli
composta per il 70% di idrogeno, per il 28 % di
strati più esterni, e la trasformazione del Sole in
elio e per il resto dagli altri elementi chimici più
un
pesanti. La nostra stella impiegherà circa dieci
Planetaria (vedi figura) ovvero un nucleo inerte
miliardi di anni per esaurire il combustibile
circondato da una nube colorata di gas ionizzato.
presente nel suo nucleo, quindi oggi si trova a
Al termine di questa fase il Sole diventerà una
circa metà della sua vita. All’esaurirsi dell’idro-
Nana Bianca cioè un oggetto molto denso che
geno la gravità, non più bilanciata dalle reazioni
brilla in cielo per il calore emanato dalla sua
nucleari, prenderà il sopravvento e il nucleo
caldissima
comincerà a contrarsi e conseguentemente a
sorgente interna di energia. La Nana Bianca, che
a
oggetto
loro
di
volta
essere
Supernova.
spettacolare
superficie,
pur
impiegati
Seguirà
chiamato
non
in
una
Nebulosa
avendo
una
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Il lato... oscuro dell’Universo
nascerà dal Sole, avrà un diametro di circa
destino
15000 Km, simile a quello terrestre, e una
raffredderà
massa pari ad un milione di volte la massa della
miliardi di anni finendo con lo “spegnersi”, come
Terra. La densità è tale che un “cucchiaino” di
la fiamma di una candela, e si trasformerà in
Nana Bianca peserebbe decine di tonnellate. Il
una elusiva Nana Nera.
del
nostro
Sole
sarà
progressivamente
segnato.
per
decine
Si
di
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Il lato... oscuro dell’Universo
I PRIMI TRE MINUTI
lo spazio non esisteva ancora e, quindi, più che
di
Giuseppe Longo
uno
scoppio
dell’estensione
Professore di Astrofisica
Università degli Studi di Napoli Federico II
si
di
dovrebbe
un’enorme
parlare
molla
che,
espandendosi, creava e crea ancora oggi lo
spazio ed il tempo all’interno del quale si
espande. E qui so di aver perso anche gli ultimi
lettori.
Comunque sia, all’epoca l’universo aveva
densità e temperatura talmente alte da impedire
alla materia di esistere nelle condizioni in cui la
La cosmologia moderna è una scienza
giovane, nata sul finire degli anni ‘20 del secolo
scorso
con
dell’universo
la
ed
scoperta
uscita
da
dell’espansione
una
travagliata
adolescenza solo negli ultimi anni ’70 con la
scoperta della radiazione cosmica di fondo e con
i primi studi sistematici del modo in cui le
galassie sono distribuite nello spazio che ci
circonda. Di fatto, sono solo circa trent’anni da
quando
l’Uomo
ha
iniziato
ad
avere
una
conoscenza meno che superficiale dell’universo
che lo circonda. Malgrado ciò sappiamo con
conosciamo oggi. L’energia si convertiva in
miriadi di particelle e di antiparticelle che a loro
volta, scontrandosi si riconvertivano in energia.
Man mano che l’universo si espandeva, l’energia
si diluiva e questa sorta di fluido si raffreddava
fino a che, a un certo punto, la densità di
energia divenne troppo bassa per permettere la
formazione di nuova materia. In altre parole,
l’universo
divenne
abbastanza
freddo
da
permettere alla materia di esistere e, dopo circa
tre minuti dall’inizio, si formarono i primi nuclei
di elio dalla fusione di neutroni e protoni.
certezza che circa quattordici miliardi di anni fa,
l’universo
non
esisteva
e
non
L’aver ricostruito questa catena di eventi
esistevano
neanche lo spazio e il tempo. E già qui, so di
avere perso i tre quarti dei miei lettori.
Per
quelli tra noi più inclini alla filosofia potremmo
dire che c’era il nulla, nel senso aristotelico del
termine. Poi improvvisamente l’universo ebbe
inizio in un enorme rilascio di energia detto “big
bang” o grande scoppio. Il problema è che il big
bang tutto fu tranne che uno scoppio e non a
caso il nome fu ideato da Fred Hoyle che,
all’epoca, era il principale oppositore della teoria.
è
uno
dei
più
grandi
trionfi
della
scienza
moderna e, non a caso, circa venti anni fa il
grande fisico inglese Steven Weinberg pubblicò
un libro intitolato “I primi tre minuti” che
vendette milioni di copie e divenne il primo best
seller di divulgazione scientifica. Allora come
ora,
il
libro
non
mi
piacque
perché
dava
un’immagine sbagliata della scienza: una scienza
trionfante, non problematica, dove tutto era
spiegato e compreso.
Uno scoppio presuppone uno spazio vuoto in cui
In fondo, se siamo in grado di descrivere
scoppia qualcosa. Quattordici miliardi di anni fa
la storia dell’universo nei suoi primi tre minuti
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COME ALLA CORTE DI FEDERICO II
Il lato... oscuro dell’Universo
spingendoci
fino
miliardesimo
di
di
un filo conduttore per leggere un’opera molto
secondo
complessa di cui intuiamo la trama ma di cui, al
dall’istante iniziale, cosa resta da spiegare?
momento, non conosciamo neanche gli attori
Soprattutto, perché dovremmo continuare a
principali. Non sappiamo, ad esempio, di cosa
investire milioni di euro in una ricerca che ha già
sono fatte quella materia e quell’energia oscure
raggiunto
ha
che formano circa il 90% (non è un refuso) della
spiegato l’origine dell’universo e quindi di tutto?
massa dell’universo, non sappiamo ancora come
La scienza trionfante che emerge dai libri di
ha
divulgazione
e
velocemente da permettere la formazione della
soprattutto non ha nulla a che fare con la
materia, non sappiamo neanche qual è la sua
scienza vera, problematica e intrigante, quella
vera geometria. Ed è forse questo che vale la
scienza che spinge i giovani a fare ricerca. E
pena di raccontare ai giovani ed ai politici.
allora, è meglio dire la verità e riconoscere che i
Investiamo in ricerca perché tutto è ancora da
primi tre minuti descritti da Weinberg sono solo
capire.
il suo
è
a
un
miliardesimo
miliardesimo
obiettivo
rassicurante
di
principale
ma
ed
noiosa,
fatto
l’universo
a
raffreddarsi
così
UNIVERSITÀ D STUDI DI NAPOLI FEDERICO II
COME ALLA CORTE DI FEDERICO II
Il lato... oscuro dell’Universo
POSSIAMO PARLARE DI
“COSMOLOGIA DI PRECISIONE”?
invertito:
Salvatore Capozziello
da cui desumere modelli autoǦconsistenti. Le
da
osservazioni,
in
principio
non
“riproducibili”, si devono estrarre informazioni
osservazioni sulla recessione delle galassie, gli
Professore di Astronomia e astrofisica
Università degli Studi di Napoli Federico II
elementi
chimici primordiali, la radiazione di
fondo cosmico, la determinazione di “strutture a
larga scala” hanno contribuito alla costruzione di
un Modello Cosmologico
basato
La Cosmologia è lo studio dell'Universo
nel suo insieme. Fino agli inizi del secolo scorso
era considerata una branca della Metafisica con
questioni irrisolvibili come le Antinomie di Kant.
Ad esempio: L’Universo è finito o infinito? È
sempre esistito oppure ha avuto un’origine?
Tali domande sono assolutamente indecidibili in
ambito
filosofico
e
possono
considerarsi
addirittura oziose.
punto
equazioni
Esso
di
è
Einstein,
sull’espansione cosmologica e sulla possibilità
di “prevedere” un inizio e una fine dell’intero
Universo. Gli aspetti puramente speculativi di
questo approccio hanno recentemente subito
una svolta decisiva. Le osservazioni da Terra e
dallo spazio sono diventate talmente accurate
che si può parlare di Cosmologia di Precisione,
rendendo l’immagine del Cosmo estremamente
realistica.
Questi risultati
hanno
portato
a
nuove problematiche che costituiscono alcuni
Con l’avvento della Relatività Generale,
il
sulle
Standard.
è cambiato
gli aspetti
più impellenti
della
scienza
radicalmente.
moderna.
Ad esempio, le strutture cosmiche
Nella famosa prolusione all’Accademia Prussiana
sembrano
sostenute
delle Scienze, Einstein ipotizza, nel 1917, che
Materia Oscura, cioè materia che non assorbe o
l’Universo può essere trattato come un sistema
emette luce, ma ha massa e “peso” come la
fisico.
materia
In
di vista
tra
altre parole, le equazioni della
ordinaria
da
che
enormi
quantità
sperimentiamo
di
ogni
Relatività descrivono l’evoluzione globale dello
giorno. L’Universo stesso sembra accelerare a
spazioǦ tempo e quindi dell’intero Universo!
causa
Questa “ipotesi matematica” è supportata da
Energia Oscura.
moltissime
nessuna idea definitiva di cosa siano realmente
osservazioni
e
oggi
possiamo
considerare la Cosmologia alla stregua
di una non ben identificata forma di
Purtroppo, oggi non si ha
delle
tali componenti oscure, di cui se ne rilevano
altre scienze esatte. Comunque, essa presenta
ampiamente gli effetti. Come spesso accade
un’importante differenza.
Mentre la Fisica, la
nella scienza, gli esperimenti e le osservazioni
Chimica o la Biologia sono scienze ipoteticoǦ
sono più “avanti” della teoria. Si pensi, ad
deduttive, sperimentali, la Cosmologia non lo è,
esempio, agli spettri
nel senso che esperimenti “cosmologici” non
microscopici che non possono essere interpretati
sono
nell’ambito della Meccanica
possibili.
Il
procedimento
va
quindi
atomici e ai fenomeni
Classica, ma per i
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COME ALLA CORTE DI FEDERICO II
Il lato... oscuro dell’Universo
quali occorre la Meccanica Quantistica. Sembra
analoga, ma con la differenza sostanziale che
quindi che siamo esattamente in una situazione
ora il “laboratorio” è l’intero Universo.
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Il lato... oscuro dell’Universo
L’ULTIMO TRENO PER IL
RITORNO AL PASSATO
eventi osservabili a terra. Sono quindi necessari
Giancarlo BarbarinR
loro rivelazione. Apparati di rivelazione di queste
apparati di rivelazione dell’ordine di 1 km3 per la
dimensioni
Professore di Fisica sperimentale
Università degli Studi di Napoli Federico II
sono
realizzabili
o
il
ghiaccio
opportunamente
attraversare
sfuggenti,
tutto
i
neutrini
l'Universo
sfruttando
risorse naturalmente disponibili, quali l’acqua del
mare
Elusivi,
solo
possono
senza
essere
deflessi né assorbiti, e fornire così informazioni
sui luoghi più estremi del cosmo. I neutrini
queste
delle
polari,
per
rivelare
instrumentati
particelle.
tradizionale,
calotte
Nessun
infatti,
laboratorio
potrebbe
contenere
la
massa necessaria a costituire un bersaglio per la
raccolta di un numero sufficiente di interazioni.
prodotti nelle sorgenti astrofisiche attraversano
Un telescopio per neutrino è quindi
imperturbati regioni dense e caldissime come
costituito da migliaia di sensori ottici immersi in
l'interno delle sorgenti astrofisiche e possono
acqua o in ghiaccio che hanno il compito di
giungere
limiti
fotografare i lampi di luce (luce Cherenkov)
dell'Universo senza essere deviati da campi
emessi nei processi di interazione dei neutrini
magnetici (come i protoni) o assorbiti (come i
con l’acqua o il ghiaccio.
raggi gamma di alta energia e i protoni più
installati
energetici) (figura 1). Viaggiando quasi del tutto
meccaniche alte diverse centinaia di
indisturbati per distanze cosmologiche, i neutrini
"registrano" i tempi di arrivo e l'intensità della
conservano
luce raccolta permettendo così di risalire alla
fino
noi
dagli
l’informazione
provenienza
l’orizzonte
a
estremi
sulla
direzione
(puntamento),
di
osservabilità
degli
di
estendendo
eventi
e
direzione
compatte,
elettromagnetica.
opache
Questi
alla
radiazione
messaggeri
dell'Universo "violento" porteranno informazioni
preziose sui più potenti acceleratori cosmici
(galattici ed extra-galattici) e permetteranno di
svelare il mistero dell'origine dei raggi cosmici e
delle condizioni per accelerarli fino a energie
elevatissime.
di
alcune
centinaia
provenienza
e
di
strutture
metri,
all'energia
del
neutrino (figura 2).
rendendo accessibili regioni dell’Universo dense
e
su
I sensori ottici,
Nei ghiacci dell'Antartide IceCube, un
telescopio da un chilometro cubo che osserva
l'emisfero Nord, è già in avanzata fase di
costruzione. Il progetto Km3Net invece prevede
la
costruzione
di
una
gigantesca
antenna
sottomarina che occuperà un volume di circa un
chilometro cubo nei fondali marini di Capo
Passero (3.500 m di profondità, a 80 km dalla
costa
siciliana).
Questi
due
telescopi
Le previsioni teoriche suggeriscono però
permetteranno l’osservazione completa di tutto il
un flusso di neutrini astrofisici molto ridotto, che
cielo. I telescopi per neutrini di alta energia sono
si traduce in un numero estremamente piccolo di
strumenti di scoperta che apriranno una nuova
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Il lato... oscuro dell’Universo
finestra osservativa sull'Universo ed è molto
"occhi", com’è spesso avvenuto in passato, si
probabile
scoprano fenomeni inattesi.
che guardando il cosmo con nuovi
figura 1
Un acceleratore cosmico emette fotoni, neutrini e nuclei, ma solo i neutrini possono attraversare
distanze cosmologiche senza essere assorbiti o deflessi. I neutrini permettono anche di indagare
la natura di oggetti densi e compatti, opachi alla radiazione elettromagnetica
figura 2
Tecnica Cherenkov per la rivelazione di tracce di muoni in telescopi sottomarini. I muoni sono prodotti nelle interazioni
dei neutrini, mentre la luce Cherenkov (cono blu) è raccolta per mezzo di un reticolo tridimensionale di sensori ottici.
A destra è visibile una traccia ricostruita come proveniente dal basso e quindi interpretabile come evento di segnale.
In evidenza i fotomoltiplicatori colpiti dall'emissione di luce Cherenkov. [Da antares.in2p3.fr]
