Uno strumento ipersensibile, nel sottosuolo d'Italia, è finalmente riuscito nel compito quasi impossibile di rilevare i neutrini CNO (minuscole particelle che indicano la presenza di carbonio, azoto e ossigeno) dal nucleo del nostro sole. Queste particelle poco conosciute rivelano l'ultimo dettaglio mancante del ciclo di fusione che alimenta il nostro sole e altre stelle.

Nei risultati pubblicati il ​​26 novembre sulla rivista Natura (e presente in copertina), i ricercatori della collaborazione Borexino riportano le prime rilevazioni di questo raro tipo di neutrini, chiamate "particelle fantasma" perché attraversano la maggior parte della materia senza lasciare traccia.

I neutrini sono stati rilevati dal rivelatore Borexino, un enorme esperimento sotterraneo nel centro Italia. Il progetto multinazionale è sostenuto negli Stati Uniti dalla National Science Foundation con una sovvenzione condivisa supervisionata da Frank Calaprice, professore emerito di fisica a Princeton; Andrea Pocar, un'alunna laureata nel 2003 a Princeton e professore di fisica all'Università del Massachusetts-Amherst; e Bruce Vogelaar, professore di fisica presso il Virginia Polytechnical Institute e la State University (Virginia Tech).

Il rilevamento di "particelle fantasma" conferma le previsioni degli anni '30 secondo cui parte dell'energia del nostro sole è generata da una catena di reazioni che coinvolgono il carbonio, azoto e ossigeno (CNO). Questa reazione produce meno dell'1% dell'energia solare, ma si pensa che sia la fonte di energia primaria nelle stelle più grandi. Questo processo rilascia due neutrini, le particelle elementari della materia più leggere conosciute, nonché altre particelle subatomiche ed energia. Il processo più abbondante per la fusione idrogeno-elio rilascia anche neutrini, ma le loro firme spettrali sono diverse, permettendo agli scienziati di distinguerli.

"Conferma del CNO che brucia al nostro sole, dove opera solo a un livello dell'1%, rafforza la nostra fiducia che capiamo come funzionano le stelle, " disse Calaprice, uno degli ideatori e dei principali investigatori di Borexino.

Neutrini CNO:Finestre sul sole

Per gran parte della loro vita, le stelle ottengono energia fondendo l'idrogeno in elio. Nelle stelle come il nostro sole, questo avviene prevalentemente attraverso catene protone-protone. Però, in stelle più pesanti e più calde, carbonio e azoto catalizzano la combustione dell'idrogeno e rilasciano neutrini CNO. Trovare dei neutrini ci aiuta a scrutare i meccanismi nel profondo dell'interno del sole; quando il rivelatore Borexino scoprì i neutrini protone-protone, la notizia ha illuminato il mondo scientifico.

Ma i neutrini CNO non solo confermano che il processo CNO è all'opera all'interno del sole, possono anche aiutare a risolvere un'importante questione aperta nella fisica stellare:quanto dell'interno del sole è costituito da "metalli, "che gli astrofisici definiscono come qualsiasi elemento più pesante dell'idrogeno o dell'elio, e se la "metallicità" del nucleo corrisponde a quella della superficie solare o degli strati esterni.

Sfortunatamente, i neutrini sono estremamente difficili da misurare. Più di 400 miliardi di loro colpiscono ogni centimetro quadrato della superficie terrestre ogni secondo, eppure praticamente tutte queste "particelle fantasma" attraversano l'intero pianeta senza interagire con nulla, costringendo gli scienziati a utilizzare strumenti molto grandi e molto accuratamente protetti per rilevarli.

Il rivelatore Borexino si trova mezzo miglio sotto gli Appennini nell'Italia centrale, presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, dove un gigantesco pallone di nylon - circa 30 piedi di diametro - riempito con 300 tonnellate di idrocarburi liquidi ultrapuri è contenuto in una camera sferica multistrato immersa nell'acqua. Una piccola frazione dei neutrini che attraversano il pianeta rimbalza sugli elettroni di questi idrocarburi, producendo lampi di luce che possono essere rilevati dai sensori di fotoni che rivestono il serbatoio dell'acqua. La grande profondità, le dimensioni e la purezza rendono Borexino un rivelatore davvero unico per questo tipo di scienza.

Il progetto Borexino è stato avviato nei primi anni '90 da un gruppo di fisici guidati da Calaprice, Gianpaolo Bellini all'Università degli Studi di Milano, e il compianto Raju Raghavan (allora ai Bell Labs). Negli ultimi 30 anni, ricercatori di tutto il mondo hanno contribuito a trovare la catena protone-protone dei neutrini e, circa cinque anni fa, la squadra ha iniziato la caccia ai neutrini del CNO.

Sopprimere lo sfondo

"Gli ultimi 30 anni hanno riguardato la soppressione dello sfondo radioattivo, " ha detto Calaprice.

La maggior parte dei neutrini rilevati da Borexino sono neutrini protone-protone, ma alcuni sono riconoscibilmente neutrini CNO. Sfortunatamente, I neutrini CNO assomigliano alle particelle prodotte dal decadimento radioattivo del polonio-210, un isotopo che fuoriesce dal gigantesco pallone di nylon. Separare i neutrini del sole dalla contaminazione da polonio ha richiesto uno sforzo scrupoloso, guidato da scienziati di Princeton, che è iniziato nel 2014. Dal momento che non è stato possibile impedire alle radiazioni di fuoriuscire dal pallone, gli scienziati hanno trovato un'altra soluzione:ignorare i segnali dal bordo esterno contaminato della sfera e proteggere l'interno profondo del pallone. Ciò ha richiesto loro di rallentare drasticamente la velocità di movimento del fluido all'interno del pallone. La maggior parte del flusso del fluido è guidata da differenze di calore, quindi il team statunitense ha lavorato per ottenere un profilo di temperatura molto stabile per il serbatoio e gli idrocarburi, per rendere il fluido il più fermo possibile. La temperatura è stata mappata con precisione da una serie di sonde di temperatura installate dal gruppo Virginia Tech, guidato da Vogelaar.

"Se questo movimento potesse essere ridotto abbastanza, potremmo quindi osservare i previsti cinque rinculo a bassa energia al giorno dovuti ai neutrini CNO, " disse Calaprice. "Per riferimento, un piede cubo di "aria fresca" - che è mille volte meno denso del fluido idrocarburico - sperimenta circa 100, 000 decadimenti radioattivi al giorno, principalmente dal gas radon."

Per garantire la quiete all'interno del fluido, Gli scienziati e gli ingegneri di Princeton e Virginia Tech hanno sviluppato hardware per isolare il rilevatore, essenzialmente una coperta gigante per avvolgerlo, nel 2014 e nel 2015, poi hanno aggiunto tre circuiti di riscaldamento che mantengono una temperatura perfettamente stabile. Chi è riuscito a controllare la temperatura del rivelatore, ma gli sbalzi termici stagionali nel padiglione C, dove si trova Borexino, causava ancora la persistenza di minuscole correnti di fluido, oscuramento del segnale CNO.

Quindi due ingegneri di Princeton, Antonio Di Ludovico e Lidio Pietrofaccia, ha collaborato con l'ingegnere dello staff LNGS Graziano Panella per creare uno speciale sistema di trattamento dell'aria che mantiene una temperatura dell'aria stabile nel padiglione C. Il sistema di controllo della temperatura attivo (ATCS), sviluppato alla fine del 2019, alla fine ha prodotto una stabilità termica sufficiente all'esterno e all'interno del pallone per calmare le correnti all'interno del rivelatore, infine impedendo che gli isotopi contaminanti vengano trasportati dalle pareti del palloncino nel nucleo del rivelatore.

Lo sforzo è stato ripagato.

"L'eliminazione di questo fondo radioattivo ha creato una regione di basso fondo di Borexino che ha reso possibile la misurazione dei neutrini CNO, " ha detto Calaprice.

"I dati stanno migliorando sempre di più"

Prima della scoperta del neutrino del CNO, il laboratorio aveva pianificato di terminare le operazioni di Borexino alla fine del 2020. Ora, sembra che la raccolta dei dati potrebbe estendersi fino al 2021.

Il volume di idrocarburi fermi al centro del rivelatore Borexino ha continuato a crescere di dimensioni da febbraio 2020, quando i dati per il Natura carta è stata raccolta. Ciò significa che, oltre a svelare i neutrini del CNO oggetto di questa settimana Natura articolo, ora c'è un potenziale per aiutare a risolvere anche il problema della "metallicità", la questione se il nucleo, gli strati esterni e la superficie del sole hanno tutti la stessa concentrazione di elementi più pesanti dell'elio o dell'idrogeno.

"Abbiamo continuato a raccogliere dati, poiché la purezza centrale ha continuato a migliorare, rendere concreta la possibilità di un nuovo risultato incentrato sulla metallicità, " ha detto Calaprice. "Non solo stiamo ancora raccogliendo dati, ma i dati stanno migliorando sempre di più".