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Fisica

Perché è importante la scoperta della prima sorgente dei neutrini cosmici

Scienziati da tutto il mondo hanno individuato una sorgente di neutrini ad altissima energia. Si tratta di una blazar, una galassia ellittica con al centro un buco nero, fra le più luminose dell’universo noto

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Dove nascono i neutrini più energetici, provenienti dallo spazio? Un gruppo di ricerca internazionale è riuscito a rispondere a questa domanda, individuando per la prima volta la sorgente di un neutrino cosmico ad alta energia. Questo genere di neutrino arriva dallo spazio insieme ai raggi cosmici, radiazioni potentissime composte da particelle (soprattutto protoni) e nuclei di atomi. Il team di ricerca, che include gruppi italiani dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf), Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn), dell’Agenzia spaziale italiana (Asi), nonché università ed enti di ricerca italiani, ha studiato questi rari neutrini. La prima allerta è giunta dal grande rivelatore Ice Cube in Antartide, che ha avuto un ruolo importante nello studio, individuando il neutrino super-energetico. I dati sono stati combinati con quelli di altri 15 esperimenti in tutto il mondo. I risultati sono pubblicati in due studi su Science.

I neutrini sono particelle molto elusive: non hanno carica, hanno una massa piccolissima e interagiscono debolmente con la materia (non risentono dell’azione dei campi magnetici).

Proprio perché così sfuggenti, miliardi di queste particelle raggiungono indisturbate la Terra e attraversano il nostro corpo in ogni secondo. La maggior parte dei neutrini sono prodotti principalmente dall’interazione tra raggi cosmici e particelle nell’atmosfera terrestre.

Finora gli scienziati hanno individuato e studiato soprattutto quelli a bassa energia all’interno dell’atmosfera terrestre o del sistema solare.

Tuttavia esistono anche neutrini con un’energia significativamente maggiore, che sono molto più rari e che necessariamente non hanno un’origine locale (nell’atmosfera o nel Sistema Solare), ma nello spazio profondo. Questi ultimi vengono cercati da Ice Cube (nato con questo obiettivo): si tratta di una grande macchina, composta da 86 cavi d’acciaio e 5000 sensori di luce, con un insieme di rivelatori che occupano un chilometro cubo nei ghiacci del Polo Sud, a profondità fra 1.450 e 2.450 metri sotto terra.

Grazie a questo grande cacciatore di neutrini, i ricercatori sono riusciti a individuare una possibile sorgente di quelli cosmici ad alta energia. Ma non è stato facile. Il problema dei raggi cosmici, costituiti da particelle cariche come protoni, infatti, è che i loro percorsi non possono essere tracciati fin dal punto di partenza, dato che potenti campi magnetici, che riempiono lo spazio, deformano le loro traiettorie: insomma, è un po’ come se si riuscisse a vedere il letto di un fiume, ma non la sua fonte.

Tuttavia in questo caso i neutrini ci vengono in aiuto. Questi ultimi viaggiano indisturbati, dato che non sono carichi e non vengono deviati dai campi magnetici. Così il loro tragitto segue una linea retta ed è più facile da seguire fin dal punto di partenza. Sfruttando queste proprietà i ricercatori hanno studiato il comportamento di 82 neutrini altamente energetici, che sono molto rari, il tutto dal 2013 ad oggi.

Quando un neutrino altamente energetico interagisce con il nucleo di un atomo vicino al rivelatore Ice Cube, si genera una particella carica secondaria. Questa, a sua volta, produce un cono di luce blu, che viene identificato da Ice Cube attraverso la rete dei rivelatori. La particella carica e la luce sono nella stessa direzione, così è stato possibile per i ricercatori individuare la traiettoria del neutrino e la sua sorgente. Le prime coordinate della sorgente sono state identificate nel settembre scorso (il 22 settembre 2017), ma ci sono voluti alcuni mesi per studiare meglio la sua forma.

Si tratta di un blazar, denominato dagli autori TXS 0506+056, un grande nucleo galattico ellittico associato a un buco nero molto massivo e ruotante al suo centro. Situato a circa 4 miliardi di anni luce di distanza dalla Terra, vicino alla costellazione di Orione, questa galassia è fortemente energetica e luminosissima. Ed emette getti di luce e particelle elementari, fra cui neutrini ad alta energia: uno di questi, il neutrino cosmico individuato il 22 settembre scorso, puntava direttamente verso la Terra. L’associazione fra il neutrino rilevato da Ice Cube e la blazar si fonda dunque sulla coincidenza della posizione all’interno di un decimo di grado.

“Il risultato dell’osservazione della prima sorgente nota di raggi cosmici e neutrini ad alta energia”, sottolinea Francis Halzen, fisico alla University of Wisconsin-Madison e a capo per la parte scientifica dell’Ice Cube Neutrino Observatory, “è stringente”. Si tratta dunque della prima volta in cui un oggetto celeste emette sia fotoni (luce) sia neutrini, la luce ha permesso di identificare il neutrino elusivo e a sua volta il neutrino ha fornito informazioni sulla sorgente delle particelle dei raggi cosmici.

“Si apre l’era dell’astrofisica multimessaggero, aggiunge l’autore France Córdova della Nsf, “dove ciascun messaggero, dalla radiazione elettromagnetica alle onde gravitazionali e oggi i neutrini ci fornisce una più completa comprensione dell’universo”. Il risultato, inoltre, fornisce un nuovo tassello per comprendere dove nascono i raggi cosmici, che sono studiati da più di 100 anni e di cui non era nota l’origine.

Il risultato è stato corale e ha coinvolto più di 10 esperimenti in tutto il mondo. Appena rilevato il neutrino altamente energetico, la cui provenienza era sicuramente associata a grandi distanze, Ice Cube ha inviato un’allerta a vari telescopi, chiedendo di osservare la regione di origine del neutrino, in prossimità di Orione. Fra i vari esperimenti, il telescopio Fermi, missione della Nasa a cui l’Italia partecipa con Asi, Inaf e Infn, ha rilevato in quel punto una presenza di raggi gamma (i fotoni più energetici) più forti che mai vicino alla sorgente, il blazar TXS 0506+056.

Anche il telescopio Magic (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope), nelle Canarie, ha individuato un getto di raggi gamma potentissimi associati alla sorgente TXS. Una coincidenza non casuale: mettendo insieme questi dati, queste osservazioni hanno dimostrato che la sorgente TXS 0506+056 è una delle più luminose dell’universo noto, concludono gli autori, sufficientemente potente da accelerare raggi cosmici ad alta energia e produrre i neutrini associati.

 
  

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Detective presso Computer Crime Research Center. Investigazioni Roma. Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Seminario Analisi del Crimine Violento Università di Roma

Fisica

In Cina sono nati topi da due madri (e sono in salute)

Utilizzando cellule staminali e l’editing genico, un team di ricercatori dell’accademia delle scienze cinese è riuscito a far nascere una cucciolata di topi in buona salute da due madri

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Nuove nascite nei laboratori dell’Accademia delle scienze cinese. Una cucciolata di topi del tutto in salute. Ma la cosa sorprendente è che questi animali sono nati da genitori dello stesso sesso, e più precisamente da due madri. A raccontarlo sulle pagine di Cell Stem Cell sono stati proprio i ricercatori dell’Accademia delle scienze, in Cina, che servendosi delle cellule staminali e dell’editing genetico sono riusciti a dare alla luce topi sani da due madri. Sono nati, precisano i ricercatori, anche topi di due padri, ma sono riusciti a sopravvivere per soli due giorni.

Mentre alcuni rettili, anfibi e pesci possono riprodursi per partenogenesi, ovvero quella tipologia di riproduzione asessuata che non richiede alcun intervento da parte del maschio, è difficile per i mammiferi fare lo stesso anche con l’aiuto delle tecnologie più innovative: infatti, nei mammiferi, poiché alcuni geni materni e paterni vengono spenti durante lo sviluppo della linea germinale a seguito di un meccanismo chiamato imprinting genetico (ovvero la modulazione dell’espressione di una parte del materiale genetico), la prole che non riceve materiale genetico da una madre e un padre potrebbe subire anomalie dello sviluppo o non essere vitali.

“Eravamo interessati a capire il perché i mammiferi possono riprodursi solo sessualmente. Così abbiamo cercato di scoprire se i topi nati da due genitori di sesso femminile, o maschile, sarebbero potuti essere creati utilizzando cellule staminali embrionali aploidi con delezioni genetiche”, afferma l’autore Qi Zhou.

(foto: Leyun Wang)

 

Per capirlo, Zhou e il suo team di ricercatori hanno usato cellule staminali embrionali (Esc) aploidi, ovvero cellule che contengono metà del numero normale di cromosomi e il dna di un solo genitore. Successivamente, i ricercatori, servendosi di complesse tecniche di editing genetico, sono riusciti a iniettare queste cellule staminali contenenti il dna di un genitore femminile negli ovuli di un altro topo femmina. Al termine della sperimentazione, i ricercatori hanno osservato che da 210 embrioni sono riusciti a far nascere 29 topi sani (e che sono vissuti fino all’età adulta). “In questo studio abbiamo scoperto che le Esc aploidi erano più simili alle cellule germinali primordiali, i precursori di uova e spermatozoi, mentre l’imprinting genetico che si verifica nei gameti è stato cancellato”, spiegano i ricercatori.

Successivamente, i ricercatori sono riusciti a far nascere anche 12 topi da due padri con una procedura molto simile ma ancor più complessa. In questo caso, tuttavia, dopo aver modificato geneticamente le Esc aploidi di un topo maschio e averle iniettate insieme allo sperma dell’altro padre in una cellula uovo privata del suo materiale genetico, i cuccioli sono riusciti a sopravvivere solamente 48 ore dopo la nascita. Ora, il prossimo passo dei ricercatori sarà quello di migliorare quest’ultimo procedimento in modo tale che i cuccioli di topo nati da due padri possano riuscire a vivere fino all’età adulta. “Abbiamo anche rivelato alcune delle regioni genomiche più importanti che ostacolano lo sviluppo dei topi con genitori dello stesso sesso, informazioni che sono preziose e interessanti anche per lo studio dell’imprinting genomico e della clonazione animale, concludono i ricercatori.

In passato, precisiamo, che altri tentativi erano stati fatti per facilitare la riproduzione dello stesso sesso nei topi. Alcuni scienziati si erano concentrati sulla creazione di spermatozoi con il dna femminile e viceversa, di ovuli con il dna di un padre, mentre altri avevano utilizzato cellule staminali e l’editing genetico. Per fare qualche esempio, in uno studio del 2004 i ricercatori erano riusciti a creare i primi topi da due madri, dimostrando l’importanza dell’imprinting genetico nell’impedire la partenogenesi. Nel 2010, invece, un altro studio era riuscito a produrre topi da due padri utilizzando cellule staminali derivate dalla pelle (ma arrivare a un topo con solo dna maschile attraverso questa tecnica aveva richiesto più generazioni). Finora, tuttavia, tutti i topi nati in questi studi avevano ancora molti difetti di sviluppo. Risultati simili a questo ultimo studio, invece, erano stati raggiunti dagli stessi ricercatori dell’Accademia delle scienze cinese nel 2011, utilizzando un metodo che si basava su un intermediario femminile, tra i due padri.

 
  

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Nobel per la fisica 2018, perché hanno vinto i laser

Ad Ashkin, Moureau e Strickland il premio Nobel per la fisica 2018 “per i loro studi innovativi nel campo della fisica dei laser”. Ecco perché sono importanti

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Ha vinto, dunque, la luce. La Royal Swedish Academy of Sciences ha assegnato il premio Nobel per la fisica 2018 ad Arthur Ashkin, dei Bell LaboratoriesGérard Mourou, della University of Michigan, e Donna Strickland, della University of Waterlooper i loro studi rivoluzionari nel campo della fisica dei laser. I tre inventori, spiegano da Stoccolma, hanno cambiato per sempre la fisica dei laser, permettendo di osservare, sotto una nuova luce (sic!), oggetti microscopici e processi rapidissimi: lo sviluppo di laser sempre più potenti e avanzati ha permesso infatti di mettere a punto strumenti di precisione che hanno spianato la strada verso aree di ricerca inesplorate e che hanno (e avranno) innumerevoli ricadute nel campo industriale e medico, oltre che nella fisica di base.Chi sono i vincitori 
(immagine: Nobel Prize)
Cominciamo dal raccontare chi sono i protagonisti di questa giornata. Arthur Ashkin, cui è andata la prima metà del premio, è uno scienziato statunitense classe 1922 che si è formato alla Columbia University e alla Cornell University. Fin dagli anni sessanta ha lavorato alla manipolazione di particelle mediante luce laser, inventando le cosiddette pinzette ottiche, uno strumento che – come suggerisce il nome – consente di acchiappare e manipolare molto precisamente, con la luce, particelle microscopiche come atomi, molecole e cellule biologiche. Ashkin, inoltre, si può considerare quasi un Nobel doppio: il suo lavoro, infatti, ha fornito le basi per gli studi sul raffreddamento e intrappolamento degli atomi condotti da Steven Chu, insignito del Nobel per la fisica nel 1997.Membro di innumerevoli società scientifiche, Ashkin ha lavorato per quarant’anni, fino al 1992, nei Bell Laboratories, per poi continuare, come ha lui stesso raccontato, a “lavorare da casa”.Gli altri due premiati, cui va ¼ del riconoscimento, sono Gérard Mourou e Donna Strickland. Mourou è uno scienziato francese che lavora per la University of Michigan, per la École Polytechnique di Palaiseau e per altri istituti di ricerca, co-inventore (insieme a Strickland, per l’appunto) della cosiddetta chirped pulse amplification (Cpa), una tecnica che permette di amplificare un impulso di radiazione elettromagnetica. Mourou ha inoltre inventato, nel 1994, una tecnica per evitare la divergenza dei fasci laser, sfruttando e combinando i fenomeni della diffrazione e della rifrazione.Strickland – la terza donna al mondo, dopo Marie Curie e Maria Goeppert-Mayer, a ricevere il Nobel per la fisica – è una ricercatrice canadese in forza alla University of Waterloo. Si è laureata in ingegneria fisica alla McMaster University e ha completato il dottorato di ricerca alla University of Rochester. Fu proprio durante il periodo di dottorato che lavorò, insieme a Mourou, alla chirped pulse amplification, il tema per cui le è stato assegnato il massimo riconoscimento. Attualmente dirige un gruppo di ricerca che si occupa di laser ultraveloci e ad alta intensità per studi nel campo dell’ottica nonlineare.Intrappolamento ottico Tutto parte da un’idea apparentemente visionaria: usare la luce per manipolare gli oggetti (inevitabile pensare al raggio traente di Star Trek). D’altronde, come sappiamo bene quando ci esponiamo al sole, la luce porta energia: e dunque, perché non provare a usare questa energia per afferrare, spingere e tirare oggetti microscopici? Detto, fatto: subito dopo l’invenzione del primo laser, negli anni sessanta, Arthur Ashkin si rese conto che le caratteristiche dei fasci laser (in particolare il fatto che si trattasse di luce coerente, cioè con differenze di fase costanti, e che i fasci stessi fossero estremamente focalizzati) li rendevano adattissimi a interagire con particelle microscopiche. Cominciò subito a giocare con lo strumento, rendendosi conto che effettivamente la pressione esercitata dai laser era sufficiente per muovere piccole sferette e che le sferette erano in qualche modo attirate verso il centro del fascio, dove l’intensità della luce era maggiore. Ashkin si rese conto che si poteva sfruttare questo fenomeno per costringere le sferette a muoversi dove si voleva semplicemente usando delle lenti che focalizzassero in un punto specifico la massima intensità del fascio.Nacquero così le prime trappole ottiche, o, se si preferisce, pinzette ottiche. Uno strumento economico, veloce e soprattutto precisissimo, che permise, negli anni a seguire, di manipolare addirittura singoli atomi (ci si riuscì nel 1986, dopo aver risolto una serie di complicazioni tecniche) e soprattutto sistemi biologici: nel corso di diversi esperimenti condotti su virus, batteri e cellule viventi Ashkin mostrò che le pinzette ottiche consentivano una manipolazione che, oltre ad essere precisa, era completamente non invasiva, e consentiva per esempio di afferrare il nucleo di una cellula senza distruggerne la membrana.Impulsi cortissimi e potentissimi Veniamo all’altro breakthrough, quello relativo all’invenzione della chirped pulse amplification. Negli anni ottanta, Donna Strickland era una dottoranda della University of Rocchester. Il suo supervisor era il professor Gérard Mourou, e i due lavoravano nel laboratorio di ottica dell’ateneo statunitense. In quel momento, la fisica dei laser sembrava essere arrivata a un binario morto: in sostanza, gli impulsi laser vengono generati con una reazione a catena in cui le particelle di luce, interferendo con sé stesse in una cavità che le amplifica, ne generano di nuove. Si riteneva fosse impossibile aumentare ancora l’intensità della luce prodotta senza distruggere il materiale della cavità.Strickland e Mourou riuscirono a superare il problema, ideando una tecnica che permetteva di allungare la durata temporale di un singolo impulso laser, amplificarne l’intensità e quindi rallentarlo di nuovo. Il trucco sta nel fatto che quando si aumenta la durata di un impulso la sua potenza di picco è molto più bassa, e quindi è possibile amplificarlo senza danneggiare l’amplificatore: una tecnica semplice ed elegante. E soprattutto efficace: nel 1985 il primo dispositivo superò la prova del laboratorio, rivoluzionando completamente la fisica dei laser e aprendo la strada a nuove applicazioni in fisica, chimica e medicina.Tante applicazioni Le pinzette di Ashkin, nel corso degli anni, sono state utilizzate in moltissimi campi: è stato possibile, per esempio, studiare diversi processi biologici tra cui il comportamento delle proteine, i cosiddetti motori molecolari, le caratteristiche del dna e la vita interna delle cellule. Uno dei campi più recenti, e promettenti, è quello della cosiddetta olografia ottica, in cui si usano contemporaneamente migliaia di pinzette, per esempio, per separare le cellule del sangue sane da quelle infette, il che potrebbe essere molto utile nella lotta alla malaria e ad altre malattie. Stesso discorso per la Cpa, che ha permesso, tra le altre cose, di realizzare la telecamera più veloce al mondo – che funziona grazie a impulsi laser della durata di pochi femtosecondi, un milionesimo di miliardesimo di secondo – e trivelle microscopiche precise e potentissime, con le quali è stato possibile bucare, letteralmente, atomi, molecole e cellule viventi. Ma, assicurano gli esperti, il meglio deve ancora venire.
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Fisica

Vega C si prepara al lancio. Un video ci porta dietro le quinte della missione

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Partirà da Kourou, in Guyana francese, nella seconda metà del 2019, spinto da un motore straordinario che gli conferirà una potenza senza concorrenti tra i vettori spaziali della sua categoria. Vega-C, così si chiama, è l’ultimo arrivato tra i sistemi di lancio europei, e rappresenta un motivo di orgoglio anche per la scienza e tecnologia italiane: il cuore del suo sistema è stato infatti elaborato da un’azienda italiana con sede a Colleferro.

In questo video l’Agenzia spaziale europea ci porta dietro le quinte della missione.

 

 
  

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