Un equipo internacional de unos 100 científicos de la Colaboración Borexino, incluyendo al físico de partículas Andrea Pocar de la Universidad de Massachusetts Amherst, informe en Naturaleza esta semana detección de neutrinos del sol, revelando directamente por primera vez que el ciclo de fusión carbono-nitrógeno-oxígeno (CNO) está funcionando en nuestro sol.

El ciclo CNO es la fuente de energía dominante que impulsa a las estrellas más pesadas que el sol, pero hasta ahora nunca se había detectado directamente en ninguna estrella, Pocar explica.

Durante gran parte de su vida las estrellas obtienen energía al fusionar hidrógeno en helio, él añade. En estrellas como nuestro sol o encendedor, esto ocurre principalmente a través de las cadenas "protón-protón". Sin embargo, muchas estrellas son más pesadas y calientes que nuestro sol, e incluir elementos más pesados ​​que el helio en su composición, una cualidad conocida como metalicidad. La predicción desde la década de 1930 es que el ciclo CNO será dominante en las estrellas pesadas.

Los neutrinos emitidos como parte de estos procesos proporcionan una firma espectral que permite a los científicos distinguir los de la 'cadena protón-protón' de los del 'ciclo CNO'. Pocar señala, "Confirmación de CNO ardiendo en nuestro sol, donde opera a solo el uno por ciento, refuerza nuestra confianza en que entendemos cómo funcionan las estrellas ".

Más allá de esto, Los neutrinos CNO pueden ayudar a resolver una importante cuestión abierta en la física estelar, él añade. Es decir, cómo la metalicidad central del sol, como solo puede ser determinado por la tasa de neutrinos CNO desde el núcleo, está relacionado con la metalicidad en otras partes de una estrella. Los modelos tradicionales han tropezado con una dificultad:las medidas de metalicidad de la superficie por espectroscopia no concuerdan con las medidas de metalicidad del subsuelo inferidas de un método diferente. observaciones de heliosismología.

Pocar dice que los neutrinos son realmente la única sonda directa que la ciencia tiene para el núcleo de las estrellas, incluido el sol, pero son sumamente difíciles de medir. Hasta 420 mil millones de ellos golpean cada pulgada cuadrada de la superficie de la tierra por segundo, sin embargo, prácticamente todos pasan sin interactuar. Los científicos solo pueden detectarlos utilizando detectores muy grandes con niveles de radiación de fondo excepcionalmente bajos.

El detector Borexino se encuentra en las profundidades de los Apeninos en el centro de Italia en el Laboratori Nazionali del Gran Sasso del INFN. Detecta los neutrinos como destellos de luz producidos cuando los neutrinos chocan con los electrones en 300 toneladas de centelleador orgánico ultrapuro. Su gran profundidad, el tamaño y la pureza hacen de Borexino un detector único para este tipo de ciencia, único en su clase para la radiación de fondo bajo, Dice Pocar. El proyecto fue iniciado a principios de la década de 1990 por un grupo de físicos dirigido por Gianpaolo Bellini en la Universidad de Milán. Frank Calaprice en Princeton y el difunto Raju Raghavan en Bell Labs.

Hasta sus últimas detecciones, la colaboración Borexino había medido con éxito los componentes de los flujos de neutrinos solares 'protón-protón', ayudó a refinar los parámetros de oscilación del sabor de los neutrinos, y lo más impresionante, incluso midió el primer paso en el ciclo:los neutrinos 'pp' de muy baja energía, Pocar recuerda.

Sus investigadores soñaban con ampliar el alcance de la ciencia para buscar también los neutrinos CNO, en una región espectral estrecha con un fondo particularmente bajo, pero ese premio parecía fuera de su alcance. Sin embargo, grupos de investigación en Princeton, Virginia Tech y UMass Amherst creían que los neutrinos CNO aún podrían revelarse utilizando los pasos y métodos de purificación adicionales que habían desarrollado para darse cuenta de la exquisita estabilidad requerida del detector.

A lo largo de los años y gracias a una secuencia de movimientos para identificar y estabilizar los fondos, los científicos estadounidenses y toda la colaboración tuvieron éxito. "Más allá de revelar los neutrinos CNO que es el tema del artículo de Nature de esta semana, ahora incluso existe la posibilidad de ayudar a resolver el problema de la metalicidad, "Dice Pocar.

Antes del descubrimiento del neutrino CNO, el laboratorio había programado que Borexino finalizara sus operaciones a fines de 2020. Pero debido a que los datos utilizados en el análisis para el artículo de Nature se congelaron, los científicos han seguido recopilando datos, a medida que la pureza central ha seguido mejorando, haciendo de un nuevo resultado centrado en la metalicidad una posibilidad real, Dice Pocar. La recopilación de datos podría extenderse hasta 2021 ya que la logística y los permisos requerían, mientras está en camino, no son triviales y requieren mucho tiempo. "Cada día extra ayuda, ", comenta.

Pocar ha estado con el proyecto desde sus días de posgrado en Princeton en el grupo liderado por Frank Calaprice, donde trabajó en el diseño, construcción del recipiente de nailon y puesta en servicio del sistema de manipulación de fluidos. Más tarde trabajó con sus estudiantes en UMass Amherst en análisis de datos y, más reciente, sobre técnicas para caracterizar los fondos para la medición de neutrinos CNO.