Un instrumento hipersensible, en las profundidades de Italia, finalmente ha tenido éxito en la tarea casi imposible de detectar neutrinos CNO (partículas diminutas que apuntan a la presencia de carbono, nitrógeno y oxígeno) del núcleo de nuestro sol. Estas partículas poco conocidas revelan el último detalle que falta del ciclo de fusión que alimenta nuestro sol y otras estrellas.

En los resultados publicados el 26 de noviembre en la revista Naturaleza (y aparece en la portada), Los investigadores de la colaboración Borexino informan de las primeras detecciones de este raro tipo de neutrinos, llamadas "partículas fantasma" porque atraviesan la mayor parte de la materia sin dejar rastro.

Los neutrinos fueron detectados por el detector Borexino, un enorme experimento subterráneo en el centro de Italia. El proyecto multinacional es apoyado en los Estados Unidos por la National Science Foundation bajo una subvención compartida supervisada por Frank Calaprice, profesor emérito de física en Princeton; Andrea Pocar, una ex alumna de Princeton en 2003 y profesora de física en la Universidad de Massachusetts-Amherst; y Bruce Vogelaar, profesor de física en el Instituto Politécnico de Virginia y la Universidad Estatal (Virginia Tech).

La detección de la "partícula fantasma" confirma las predicciones de la década de 1930 de que parte de la energía de nuestro sol es generada por una cadena de reacciones que involucran carbono, nitrógeno y oxígeno (CNO). Esta reacción produce menos del 1% de la energía solar, pero se cree que es la principal fuente de energía de las estrellas más grandes. Este proceso libera dos neutrinos, las partículas elementales de materia más ligeras que se conocen, así como otras partículas subatómicas y energía. El proceso más abundante de fusión de hidrógeno a helio también libera neutrinos, pero sus firmas espectrales son diferentes, permitiendo a los científicos distinguir entre ellos.

"Confirmación de CNO ardiendo en nuestro sol, donde opera a solo un nivel del 1%, refuerza nuestra confianza en que entendemos cómo funcionan las estrellas, "dijo Calaprice, uno de los creadores e investigadores principales de Borexino.

Neutrinos CNO:ventanas al sol

Durante gran parte de su vida las estrellas obtienen energía fusionando hidrógeno en helio. En estrellas como nuestro sol esto ocurre predominantemente a través de cadenas protón-protón. Sin embargo, en estrellas más pesadas y calientes, el carbono y el nitrógeno catalizan la combustión del hidrógeno y liberan neutrinos CNO. Encontrar neutrinos nos ayuda a observar el funcionamiento profundo del interior del sol; cuando el detector Borexino descubrió neutrinos protón-protón, la noticia iluminó el mundo científico.

Pero los neutrinos CNO no solo confirman que el proceso CNO está funcionando dentro del sol, también pueden ayudar a resolver una importante cuestión abierta en la física estelar:cuánto del interior del sol está formado por "metales, "que los astrofísicos definen como cualquier elemento más pesado que el hidrógeno o el helio, y si la "metalicidad" del núcleo coincide con la de la superficie del sol o las capas externas.

Desafortunadamente, los neutrinos son extremadamente difíciles de medir. Más de 400 mil millones de ellos golpean cada centímetro cuadrado de la superficie de la Tierra cada segundo, sin embargo, prácticamente todas estas "partículas fantasma" atraviesan todo el planeta sin interactuar con nada, obligando a los científicos a utilizar instrumentos muy grandes y cuidadosamente protegidos para detectarlos.

El detector de Borexino se encuentra a 800 metros por debajo de los Apeninos en el centro de Italia. en el Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) del Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia, donde un globo gigante de nailon, de unos 30 pies de ancho, lleno de 300 toneladas de hidrocarburos líquidos ultrapuros se mantiene en una cámara esférica de varias capas que se sumerge en agua. Una pequeña fracción de los neutrinos que atraviesan el planeta rebotará en los electrones de estos hidrocarburos, produciendo destellos de luz que pueden ser detectados por sensores de fotones que recubren el tanque de agua. La gran profundidad, el tamaño y la pureza hacen de Borexino un detector verdaderamente único para este tipo de ciencia.

El proyecto Borexino fue iniciado a principios de la década de 1990 por un grupo de físicos dirigido por Calaprice, Gianpaolo Bellini en la Universidad de Milán, y el difunto Raju Raghavan (entonces en Bell Labs). Durante los últimos 30 años, investigadores de todo el mundo han contribuido a encontrar la cadena protón-protón de los neutrinos y, hace unos cinco años, el equipo inició la búsqueda de los neutrinos CNO.

Suprimiendo el fondo

"Los últimos 30 años han consistido en suprimir el fondo radiactivo, "Dijo Calaprice.

La mayoría de los neutrinos detectados por Borexino son neutrinos protón-protón, pero algunos son neutrinos CNO reconocibles. Desafortunadamente, Los neutrinos CNO se asemejan a partículas producidas por la desintegración radiactiva del polonio-210, un isótopo que se escapa del gigantesco globo de nailon. Separar los neutrinos del sol de la contaminación por polonio requirió un esfuerzo minucioso, dirigido por científicos de Princeton, que comenzó en 2014. Dado que no se podía evitar que la radiación saliera del globo, los científicos encontraron otra solución:ignorar las señales del borde exterior contaminado de la esfera y proteger el interior profundo del globo. Eso les obligó a reducir drásticamente la velocidad del movimiento del fluido dentro del globo. La mayor parte del flujo de fluido es impulsado por diferencias de calor, por lo que el equipo de EE. UU. trabajó para lograr un perfil de temperatura muy estable para el tanque y los hidrocarburos, para hacer que el líquido esté lo más quieto posible. La temperatura fue mapeada con precisión por una serie de sondas de temperatura instaladas por el grupo Virginia Tech, dirigido por Vogelaar.

"Si este movimiento pudiera reducirse lo suficiente, Entonces podríamos observar los cinco o más retrocesos de baja energía por día que se deben a los neutrinos CNO, "Dijo Calaprice." Para referencia, un pie cúbico de 'aire fresco', que es mil veces menos denso que el fluido de hidrocarburo, experimenta alrededor de 100, 000 desintegraciones radiactivas por día, principalmente del gas radón ".

Para asegurar la quietud dentro del fluido, Los científicos e ingenieros de Princeton y Virginia Tech desarrollaron hardware para aislar el detector, esencialmente una manta gigante para envolverlo, en 2014 y 2015. luego agregaron tres circuitos de calefacción que mantienen una temperatura perfectamente estable. Los que lograron controlar la temperatura del detector, pero los cambios de temperatura estacionales en el pabellón C, donde se encuentra Borexino, todavía causaba que persistieran pequeñas corrientes de fluido, oscureciendo la señal CNO.

Entonces, dos ingenieros de Princeton, Antonio Di Ludovico y Lidio Pietrofaccia, trabajó con el ingeniero de personal de LNGS Graziano Panella para crear un sistema de manejo de aire especial que mantiene una temperatura del aire estable en el Hall C. El Sistema de Control Activo de Temperatura (ATCS), desarrollado a finales de 2019, finalmente produjo suficiente estabilidad térmica fuera y dentro del globo para silenciar las corrientes dentro del detector, finalmente, evitando que los isótopos contaminantes sean transportados desde las paredes del globo al núcleo del detector.

El esfuerzo valió la pena.

"La eliminación de este fondo radiactivo creó una región de fondo bajo de Borexino que hizo posible la medición de neutrinos CNO, "Dijo Calaprice.

"Los datos son cada vez mejores"

Antes del descubrimiento del neutrino CNO, el laboratorio había planeado finalizar las operaciones de Borexino a fines de 2020. Ahora, parece que la recopilación de datos podría extenderse hasta 2021.

El volumen de hidrocarburos tranquilos en el corazón del detector Borexino ha seguido aumentando de tamaño desde febrero de 2020, cuando los datos del Naturaleza se recogió papel. Eso significa que, más allá de revelar los neutrinos CNO que son el tema de esta semana Naturaleza artículo, ahora hay un potencial para ayudar a resolver el problema de la "metalicidad" también:la cuestión de si el núcleo, Las capas externas y la superficie del sol tienen todas la misma concentración de elementos más pesados ​​que el helio o el hidrógeno.

"Seguimos recopilando datos, a medida que la pureza central ha seguido mejorando, haciendo de un nuevo resultado centrado en la metalicidad una posibilidad real, ", Dijo Calaprice." No solo seguimos recopilando datos, pero los datos son cada vez mejores ".