Ricostruzione di tracce in un telescopio Čerenkov sottomarino per neutrini astrofisici di alta energia

L’astronomia e l’astrofisica sono nate con l’osservazione della radiazione elettromagnetica, inizialmente per ovvie ragioni nella banda del visibile, perché i fotoni essendo neutri viaggiano in linea retta conservando l’informazione della direzione della loro sorgente. Negli anni recenti esperimenti come CGRO e INTEGRAL hanno disegnato mappe del cielo dettagliate delle emissioni di raggi g, specialmente per le energie più alte. Ma il forte assorbimento dei fotoni dalla materia interstellare, specialmente nelle immediate vicinanze di oggetti come i Nuclei Galattici Attivi (AGN), e l’interazione dei fotoni di alta energia con il fondo intergalattico di fotoni infrarossi, limitano l’orizzonte di visibilità dei raggi g in energia e in distanza.
Esiste la possibilità di estendere l’osservazione degli eventi di alta energia attraverso la rivelazione dei neutrini. A differenza delle particelle cariche, deviate dai campi magnetici, i neutrini non perdono l’informazione della loro direzione di provenienza e non vengono assorbiti come i fotoni g.
L’astrofisica con i neutrini può fornire risposte a problemi aperti dell’astrofisica delle alte energie; innanzi tutto può confermare i modelli e i siti di accelerazione dei raggi cosmici, che non possono essere identificati direttamente proprio a causa del rimescolamento delle direzioni ad opera dei campi magnetici galattici ed intergalattici; può gettare luce sulla fisica degli eventi più estremi dell’universo, come gli AGN e i Lampi di Raggi Gamma (GRB), può risolvere il problema della materia oscura se si riveleranno i decadimenti delle Particelle Massive Debolmente Interagenti (WIMPs).
Un metodo di rivelazione dei neutrini e della loro direzione di provenienza è stato proposto da Markov nel 1961. I leptoni carichi (muoni) generati per interazione debole di corrente carica da neutrini emettono luce per effetto Čerenkov. Un sistema di fotomoltiplicatori viene utilizzato per misurare il numero di fotoni ed il loro tempo di arrivo, e permette di ricostruire la traccia del muone, e del neutrino.
Per far questo occorre posizionare l’apparato di rivelazione nelle profondità del mare (o dei ghiacci) dove il buio consenta di individuare i pochi fotoni di interesse, e in modo che gli altri raggi cosmici vengano filtrati. Nonostante questi accorgimenti i muoni che sicuramente provengono da un neutrino sono solo quelli provenienti dal basso: la Terra scherma efficacemente i raggi cosmici, a parte i neutrini, che hanno una cross section estremamente bassa.
La bassa probabilità di interazione fa sì che per rivelare un numero ragionevole di neutrini astrofisici sia necessario creare dei rivelatori di dimensioni enormi, come si vedrà dell’ordine del km3.
In questa tesi sono presentati nuovi metodi di ricostruzione delle tracce di muoni, basati sugli algoritmi genetici e sulle reti neurali, e i risultati sono confrontati con gli algoritmi già utilizzati nella collaborazione NEMO.