Un team internazionale di circa 100 scienziati della Borexino Collaboration, tra cui il fisico delle particelle Andrea Pocar presso l'Università del Massachusetts Amherst, rapporto in Natura questa settimana rilevamento di neutrini dal sole, rivelando direttamente per la prima volta che il ciclo di fusione carbonio-azoto-ossigeno (CNO) è all'opera nel nostro sole.

Il ciclo CNO è la fonte di energia dominante che alimenta le stelle più pesanti del sole, ma finora non era mai stato rilevato direttamente in nessuna stella, spiega Pocar.

Per gran parte della loro vita, le stelle ottengono energia fondendo l'idrogeno in elio, Aggiunge. Nelle stelle come il nostro sole o più leggere, questo avviene principalmente attraverso le catene 'protone-protone'. Però, molte stelle sono più pesanti e più calde del nostro sole, e includono elementi più pesanti dell'elio nella loro composizione, una qualità nota come metallicità. La previsione fin dagli anni '30 è che il ciclo CNO sarà dominante nelle stelle pesanti.

I neutrini emessi come parte di questi processi forniscono una firma spettrale che consente agli scienziati di distinguere quelli della "catena protone-protone" da quelli del "ciclo CNO". Pocar sottolinea, "Conferma del CNO che brucia al nostro sole, dove opera solo all'uno per cento, rafforza la nostra fiducia nel fatto che capiamo come funzionano le stelle".

Oltre questo, I neutrini CNO possono aiutare a risolvere un'importante questione aperta nella fisica stellare, Aggiunge. Questo è, come la metallicità centrale del sole, come può essere determinato solo dal tasso di neutrini CNO dal nucleo, è legato alla metallicità altrove in una stella. I modelli tradizionali hanno incontrato una difficoltà:le misure di metallicità superficiale mediante spettroscopia non concordano con le misurazioni di metallicità sub-superficiale dedotte da un metodo diverso, osservazioni eliosismologiche.

Pocar dice che i neutrini sono davvero l'unica sonda diretta che la scienza ha per il nucleo delle stelle, compreso il sole, ma sono estremamente difficili da misurare. Ben 420 miliardi di essi colpiscono ogni centimetro quadrato della superficie terrestre al secondo, eppure praticamente tutti passano senza interagire. Gli scienziati possono rilevarli solo utilizzando rivelatori molto grandi con livelli di radiazione di fondo eccezionalmente bassi.

Il rivelatore Borexino si trova in profondità sotto gli Appennini nell'Italia centrale presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell'INFN. Rileva i neutrini come lampi di luce prodotti quando i neutrini si scontrano con gli elettroni in 300 tonnellate di scintillatore organico ultra puro. La sua grande profondità, dimensione e purezza fanno di Borexino un rivelatore unico per questo tipo di scienza, unico nella sua classe per le radiazioni di basso fondo, dice Pocar. Il progetto è stato avviato nei primi anni '90 da un gruppo di fisici guidati da Gianpaolo Bellini dell'Università degli Studi di Milano, Frank Calaprice a Princeton e il compianto Raju Raghavan ai Bell Labs.

Fino ai suoi ultimi rilevamenti, la collaborazione Borexino aveva misurato con successo i componenti dei flussi di neutrini solari "protone-protone", ha contribuito a perfezionare i parametri di oscillazione del sapore del neutrino, e, cosa più impressionante, misurato anche il primo passo del ciclo:i neutrini 'pp' a bassissima energia, Pocar ricorda.

I suoi ricercatori sognavano di espandere l'ambito scientifico per cercare anche i neutrini CNO, in una regione spettrale ristretta con uno sfondo particolarmente basso, ma quel premio sembrava fuori portata. Però, gruppi di ricerca a Princeton, Virginia Tech e UMass Amherst ritenevano che i neutrini CNO potessero essere ancora rivelati utilizzando i passaggi e i metodi di purificazione aggiuntivi che avevano sviluppato per realizzare la straordinaria stabilità del rivelatore richiesta.

Negli anni e grazie a una sequenza di mosse per identificare e stabilizzare gli sfondi, gli scienziati statunitensi e l'intera collaborazione hanno avuto successo. "Oltre a rivelare i neutrini del CNO, oggetto dell'articolo di Nature di questa settimana, ora c'è anche un potenziale per aiutare a risolvere anche il problema della metallicità, "dice Pocar.

Prima della scoperta del neutrino del CNO, il laboratorio aveva programmato che Borexino terminasse le operazioni alla fine del 2020. Ma poiché i dati utilizzati nell'analisi per il documento Nature erano congelati, gli scienziati hanno continuato a raccogliere dati, poiché la purezza centrale ha continuato a migliorare, rendere concreta la possibilità di un nuovo risultato incentrato sulla metallicità, dice Pocar. La raccolta dei dati potrebbe estendersi al 2021 poiché la logistica e le autorizzazioni richieste, mentre è in corso, non sono banali e richiedono tempo. "Ogni giorno in più aiuta, " rimarca.

Pocar è stato con il progetto sin dai tempi della scuola di specializzazione a Princeton nel gruppo guidato da Frank Calaprice, dove ha lavorato alla progettazione, costruzione della nave in nylon e la messa in servizio del sistema di movimentazione dei fluidi. In seguito ha lavorato con i suoi studenti presso UMass Amherst sull'analisi dei dati e, più recentemente, sulle tecniche per caratterizzare i fondali per la misura del neutrino CNO.