«Es intelectualmente hermoso confirmar una de las predicciones fundamentales de la teoría de la estructura de las estrellas», dijo el astrofísico Marc Pinsonneault de la Universidad Estatal de Ohio en Columbus. Este es el sentimiento general de los investigadores que han capturado con éxito los neutrinos que emanan del núcleo del Sol: la primera detección directa de estas partículas y la evidencia de predicciones de décadas de antigüedad sobre cómo se produce la fusión nuclear en las estrellas.
«Con este resultado, revelamos los dos procesos que alimentan al Sol», dijo el físico de la Università di Milano, Gioacchino Ranucci, uno de los autores del estudio, en la conferencia virtual Neutrino 2020.
En el núcleo del Sol, la reacción CN fusiona cuatro protones para formar un núcleo de helio, liberando partículas subatómicas – entre las cuales, dos neutrinos, las partículas elementales más ligeras conocidas en la materia – y copiosas cantidades de energía. Esta fusión representa menos del 1% de la energía solar, pero es el proceso que sostiene a las estrellas más grandes.
excavación subterránea
El experimento fue llevado a cabo por Borexino, un detector de neutrinos instalado en el Laboratori Nazionali del Gran Sasso (llamado así por la cordillera del Gran Sasso, que se eleva 1,4 km sobre el laboratorio en el interior de Italia), el mayor centro de investigación subterráneo del mundo.
Unos meses antes de ser desactivado, luego de 1 década de funcionamiento, Borexino logró confirmar que parte de la energía solar se produce por una cadena de reacciones que involucran núcleos de carbono y nitrógeno (CN).
El proceso de captura de neutrinos es, en teoría, simple: dentro del Borexino, hay un globo gigante de nailon, que se infla con 278 toneladas de agua que contiene hidrocarburos. Los neutrinos producidos por el Sol siguen una línea recta a través de la Tierra, pero una pequeña parte, a su paso por el Borexino, rebota cuando se encuentra con los electrones de los hidrocarburos, produciendo destellos de luz que, a su vez, son capturados por el fotón. . sensores que recubren el tanque de agua.
quietud casi absoluta
Suena fácil y rápido, pero no lo es: estos neutrinos son relativamente raros y se confunden fácilmente con las partículas producidas por la desintegración radiactiva del bismuto-210, un isótopo que se filtra del nailon del globo a la mezcla de hidrocarburos.
Si bien esta contaminación es mínima (unas pocas decenas de núcleos de bismuto por día), separar los neutrinos por su origen ha ocupado a los investigadores desde 2014. El trabajo consistió entonces en ignorar lo que sucedía en los bordes del globo, una zona donde se producía la aparición de bismuto-210 eso era casi seguro.
Para que no haya mezcla, se envolvió el tanque en una manta aislante, manteniendo la sopa de hidrocarburos siempre a la misma temperatura para evitar corrientes de convección. «El líquido debe estar extraordinariamente quieto, moviéndose como máximo unas décimas de centímetro por mes», dijo el astrofísico Aldo Serenelli, del Instituto de Ciencias Espaciales (CSIC-IEEC).
En la imagen se puede ver al Borexino, con su globo inflado, llenándose de agua en 2006.La fuente: INFN / LNGS / Divulgación
antes de que aparezcan los planetas
Los resultados no aparecieron hasta 2019, cuando finalmente se eliminó el bismuto de la ecuación y se destacaron los neutrinos del Sol. Para enero de este año, se habían registrado suficientes partículas para que los investigadores afirmen que se habían detectado neutrinos en la cadena de fusión nuclear de CN.
«Esta es la primera evidencia verdaderamente directa de que la combustión de hidrógeno a través de la reacción del CN funciona en las estrellas», dijo Serenelli.
Para el físico Mainz Michael Wurm, de Johannes Gutenberg-Universität, «estos resultados confirman nuestra comprensión de los procesos de fusión dentro del Sol y profundizan nuestro conocimiento de las primeras etapas de la vida de la estrella, antes de la aparición de los planetas».