Il rivelatore Borexino, uno strumento ipersensibile nelle profondità del sottosuolo italiano, è finalmente riuscito nel compito quasi impossibile di rilevare i neutrini CNO 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, e potrebbero rispondere alle domande ancora aperte sulla composizione del sole. Credit: Borexino Collaboration

Uno strumento ipersensibile, nelle profondità del sottosuolo italiano, è finalmente riuscito nel compito quasi impossibile di rilevare i neutrini CNO (piccole 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 2020 sulla rivista Nature (e presenti in copertina), i ricercatori della collaborazione Borexino riportano le prime rilevazioni di questo raro tipo di neutrini, chiamati “particelle fantasma” perché attraversano la maggior parte della materia senza lasciare traccia.

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

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

“La conferma della combustione di CNO nel nostro sole, dove opera solo all’1%, rafforza la nostra fiducia nel fatto che comprendiamo come funzionano le stelle”, ha detto Calaprice, uno degli ideatori e principali ricercatori di Borexino.

Nutrini CNO: Finestre sul sole

Per gran parte della loro vita, le stelle ottengono energia dalla fusione dell’idrogeno in elio. In stelle come il nostro sole, questo avviene principalmente attraverso catene protone-protone. Tuttavia, nelle stelle più pesanti e calde, il carbonio e l’azoto catalizzano la combustione dell’idrogeno e rilasciano neutrini CNO. Trovare qualsiasi neutrino ci aiuta a sbirciare nelle profondità dell’interno del sole; quando il rivelatore Borexino ha scoperto 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: quanta parte dell’interno del sole è costituita 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 o degli strati esterni del sole.

Purtroppo, i neutrini sono estremamente difficili da misurare. Più di 400 miliardi di essi colpiscono ogni centimetro quadrato della superficie terrestre ogni secondo, ma praticamente tutte queste “particelle fantasma” passano attraverso l’intero pianeta senza interagire con nulla, costringendo gli scienziati a utilizzare strumenti molto grandi e molto attentamente protetti per rilevarli.

Il rivelatore Borexino si trova mezzo miglio sotto gli Appennini dell’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 ultra puri è tenuto in una camera sferica multistrato che è immersa in acqua. Una minuscola frazione dei neutrini che attraversano il pianeta rimbalzerà sugli elettroni di questi idrocarburi, producendo lampi di luce che possono essere rilevati da 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 dell’Università di Milano, e il defunto Raju Raghavan (allora ai Bell Labs). Negli ultimi 30 anni, i ricercatori di tutto il mondo hanno contribuito a trovare la catena di neutrini protone-protone e, circa cinque anni fa, il team ha iniziato la caccia ai neutrini 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. Purtroppo, i neutrini CNO assomigliano a particelle prodotte dal decadimento radioattivo del polonio-210, un isotopo che fuoriesce dal gigantesco pallone di nylon. Separare i neutrini del sole dalla contaminazione di polonio ha richiesto uno sforzo minuzioso, guidato dagli scienziati di Princeton, che è iniziato nel 2014. Dal momento che non si poteva evitare che la radiazione fuoriuscisse 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. Questo ha richiesto loro di rallentare drasticamente il tasso di movimento dei fluidi all’interno del pallone. La maggior parte del flusso del fluido è guidato da differenze di calore, quindi il team americano 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 del Virginia Tech, guidato da Vogelaar.

“Se questo movimento potesse essere ridotto abbastanza, potremmo poi osservare i circa cinque rinculi a bassa energia previsti al giorno che sono dovuti ai neutrini CNO”, ha detto Calaprice. “Per riferimento, un piede cubo di ‘aria fresca’ – che è mille volte meno denso del fluido di idrocarburi – sperimenta circa 100.000 decadimenti radioattivi al giorno, per lo più dal gas radon.”

Per garantire l’immobilità 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 da avvolgere intorno ad esso – nel 2014 e 2015, poi hanno aggiunto tre circuiti di riscaldamento che mantengono una temperatura perfettamente stabile. Questi sono riusciti a controllare la temperatura del rivelatore, ma i cambiamenti di temperatura stagionali nella sala C, dove si trova Borexino, hanno ancora causato minuscole correnti fluide a persistere, oscurando il segnale CNO.

Così due ingegneri di Princeton, Antonio Di Ludovico e Lidio Pietrofaccia, hanno lavorato con l’ingegnere del personale LNGS Graziano Panella per creare uno speciale sistema di trattamento dell’aria che mantiene una temperatura dell’aria stabile nella sala C. Il sistema di controllo attivo della temperatura (ATCS), sviluppato alla fine del 2019, ha finalmente prodotto abbastanza stabilità termica all’esterno e all’interno del pallone per calmare le correnti all’interno del rivelatore, impedendo finalmente agli isotopi contaminanti di essere trasportati dalle pareti del pallone nel nucleo del rivelatore.

Lo sforzo ha pagato.

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

“I dati stanno diventando sempre migliori”

Prima della scoperta dei neutrini CNO, il laboratorio aveva previsto 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 nel cuore del rivelatore Borexino ha continuato a crescere in dimensioni dal febbraio 2020, quando i dati per l’articolo Nature sono stati raccolti. Ciò significa che, oltre a rivelare i neutrini CNO che sono l’oggetto dell’articolo di Nature di questa settimana, c’è ora un potenziale per aiutare a risolvere anche il problema della “metallicità” – la questione se il nucleo, gli strati esterni e la superficie del sole abbiano tutti la stessa concentrazione di elementi più pesanti dell’elio o dell’idrogeno.

“Abbiamo continuato a raccogliere dati, mentre la purezza centrale ha continuato a migliorare, rendendo un nuovo risultato incentrato sulla metallicità una possibilità reale”, ha detto Calaprice. “Non solo stiamo ancora raccogliendo dati, ma i dati stanno diventando sempre migliori”

Per saperne di più su questa ricerca:

• I neutrini forniscono la prima prova sperimentale del meccanismo di produzione di energia CNO dell’universo
• Comprendere il potere di “bruciare idrogeno” del nostro sole

Riferimento: “Prove sperimentali di neutrini prodotti nel ciclo di fusione CNO nel Sole” di The Borexino Collaboration, 25 novembre 2020, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-020-2934-0

Altri princetoniani del team di Borexino includono Jay Benziger, professore emerito di ingegneria chimica e biologica, che ha progettato il fluido super-purificato del rivelatore; Cristiano Galbiati, professore di fisica; Paul LaMarche, ora vice-prorettore per la programmazione e pianificazione spaziale, che era il responsabile originale del progetto Borexino; XueFeng Ding, un associato di ricerca post-dottorato in fisica; e Andrea Ianni, un project manager in fisica.

Come molti degli scienziati e ingegneri del collettivo Borexino, Vogelaar e Pocar hanno iniziato a lavorare al progetto nel laboratorio di Calaprice a Princeton. Vogelaar ha lavorato sul pallone di nylon mentre era ricercatore e poi assistente professore a Princeton, e la calibrazione, il monitoraggio del rivelatore, la modellazione fluidodinamica e la stabilizzazione termica alla Virginia Tech. Pocar ha lavorato alla progettazione e alla costruzione del pallone di nylon e alla messa in funzione del sistema di gestione dei fluidi a Princeton. In seguito ha lavorato con i suoi studenti all’UMass-Amherst sull’analisi dei dati e sulle tecniche per caratterizzare gli sfondi per il CNO e altre misure di neutrini solari.

Questo lavoro è stato sostenuto negli Stati Uniti dalla National Science Foundation, dalla Princeton University, dall’Università del Massachusetts e dalla Virginia Tech. Borexino è una collaborazione internazionale finanziata anche dall’Istituto Nazionale Italiano di Fisica Nucleare (INFN), e da agenzie di finanziamento in Germania, Russia e Polonia.