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O Detector Borexino, um instrumento hiper-sensível no subsolo profundo da Itália, finalmente teve sucesso na tarefa quase impossível de detectar neutrinos CNO a partir do núcleo do nosso sol. Estas partículas pouco conhecidas revelam o último detalhe em falta do ciclo de fusão que alimenta o nosso sol e outras estrelas, e poderiam responder a perguntas silenciosas sobre a composição do sol. Crédito: Colaboração Borexino
Um instrumento hiper-sensível, profundamente subterrâneo na Itália, finalmente teve sucesso na tarefa quase impossível de detectar os neutrinos CNO (pequenas partículas apontando para a presença de carbono, nitrogênio e oxigênio) a partir do núcleo do nosso sol. Estas partículas pouco conhecidas revelam o último detalhe em falta do ciclo de fusão que alimenta o nosso sol e outras estrelas.
Em resultados publicados a 26 de Novembro de 2020, na revista Nature (e apresentados na capa), os investigadores da colaboração Borexino relatam as primeiras detecções deste raro tipo de neutrinos, chamados “partículas fantasma”, porque passam através da maior parte da matéria sem deixar rasto.
Os neutrinos foram detectados pelo detector Borexino, uma enorme experiência subterrânea na Itália central. O projeto multinacional é apoiado nos Estados Unidos pela National Science Foundation sob uma bolsa compartilhada supervisionada por Frank Calaprice, professor de física emérito de Princeton; Andrea Pocar, ex-aluna de Princeton e professora de física da Universidade de Massachusetts-Amherst; e Bruce Vogelaar, professor de física do Instituto Politécnico da Virgínia e da Universidade Estadual (Virginia Tech).
A detecção de “partícula fantasma” confirma as previsões da década de 1930 que parte da energia do nosso sol é gerada por uma cadeia de reações envolvendo carbono, nitrogênio e oxigênio (CNO). Esta reacção produz menos de 1% da energia do sol, mas pensa-se que é a principal fonte de energia em estrelas maiores. Este processo liberta dois neutrinos – as partículas elementares de matéria mais leves conhecidas – assim como outras partículas subatómicas e energia. O processo mais abundante de fusão hidrogênio-helium também libera neutrinos, mas suas assinaturas espectrais são diferentes, permitindo aos cientistas distingui-los.
“A confirmação da queima de CNO no nosso sol, onde opera a apenas 1%, reforça nossa confiança de que entendemos como funcionam as estrelas”, disse Calaprice, um dos criadores e principais investigadores do Borexino.
CNO neutrinos: Janelas para o sol
Durante grande parte da sua vida, as estrelas recebem energia através da fusão do hidrogénio em hélio. Em estrelas como o nosso sol, isto acontece predominantemente através de cadeias de prótons-protões. No entanto, em estrelas mais pesadas e quentes, o carbono e o nitrogênio catalisam a queima do hidrogênio e liberam os neutrinos CNO. Encontrar quaisquer neutrinos ajuda-nos a observar o funcionamento no interior do sol; quando o detector Borexino descobriu os neutrinos de protões, as notícias iluminaram o mundo científico.
Mas os neutrinos CNO não só confirmam que o processo CNO funciona dentro do sol, como também podem ajudar a resolver uma importante questão em aberto na física estelar: quanto do interior do sol é composto por “metais”, que os astrofísicos definem como quaisquer elementos mais pesados que o hidrogénio ou hélio, e se a “metalicidade” do núcleo corresponde à da superfície do sol ou das camadas exteriores.
Felizmente, os neutrinos são extremamente difíceis de medir. Mais de 400 bilhões deles atingem cada centímetro quadrado da superfície da Terra a cada segundo, mas praticamente todas essas “partículas fantasmas” passam por todo o planeta sem interagir com nada, forçando os cientistas a utilizar instrumentos muito grandes e muito cuidadosamente protegidos para detectá-los.
O detector Borexino encontra-se a meia milha abaixo das montanhas dos Apeninos, na Itália central, no Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) do Instituto Nacional de Física Nuclear da Itália, onde um balão de nylon gigante – cerca de 30 pés de diâmetro – cheio de 300 toneladas de hidrocarbonetos líquidos ultra-puros é mantido numa câmara esférica de várias camadas que é imersa em água. Uma pequena fração dos neutrinos que passam pelo planeta ricocheteará os elétrons nesses hidrocarbonetos, produzindo flashes de luz que podem ser detectados pelos sensores de fótons que revestem o tanque de água. A grande profundidade, tamanho e pureza fazem do Borexino um detector verdadeiramente único para este tipo de ciência.
O projeto Borexino foi iniciado no início dos anos 90 por um grupo de físicos liderados por Calaprice, Gianpaolo Bellini na Universidade de Milão, e o falecido Raju Raghavan (então no Bell Labs). Nos últimos 30 anos, pesquisadores ao redor do mundo contribuíram para encontrar a cadeia de neutrinos de prótons e, há cerca de cinco anos, a equipe começou a caça aos neutrinos CNO.
Suprimindo o fundo
“Os últimos 30 anos têm sido sobre a supressão do fundo radioativo”, disse Calaprice.
A maior parte dos neutrinos detectados por Borexino são neutrinos de prótons, mas alguns são reconhecidamente neutrinos CNO. Infelizmente, os neutrinos CNO assemelham-se a partículas produzidas pelo decaimento radioativo do polônio-210, um isótopo vazando do gigantesco balão de náilon. A separação dos neutrinos do sol da contaminação por polônio exigiu um esforço meticuloso, liderado por cientistas da Princeton, que começou em 2014. Como não foi possível evitar que a radiação vazasse para fora do balão, os cientistas encontraram outra solução: ignorar os sinais da borda externa contaminada da esfera e proteger o interior profundo do balão. Isso exigia que diminuíssem drasticamente a taxa de movimento do fluido dentro do balão. A maioria do fluxo de fluido é movido por diferenças de calor, por isso a equipe americana trabalhou para alcançar um perfil de temperatura muito estável para o tanque e hidrocarbonetos, para tornar o fluido o mais imóvel possível. A temperatura foi precisamente mapeada por um conjunto de sondas de temperatura instaladas pelo grupo Virginia Tech, liderado por Vogelaar.
“Se este movimento pudesse ser reduzido o suficiente, poderíamos então observar os cerca de cinco rebolos de baixa energia esperados por dia que são devidos aos neutrinos CNO”, disse Calaprice. “Para referência, um pé cúbico de ‘ar fresco’ – que é mil vezes menos denso que o fluido hidrocarboneto – experimenta cerca de 100.000 decaimentos radioativos por dia, a maior parte do gás rádon”
Para garantir a quietude dentro do fluido, cientistas e engenheiros da Princeton e da Virginia Tech desenvolveram hardware para isolar o detector – essencialmente uma manta gigante para envolvê-lo – em 2014 e 2015, então eles adicionaram três circuitos de aquecimento que mantêm uma temperatura perfeitamente estável. Estes conseguiram controlar a temperatura do detector, mas as mudanças sazonais de temperatura no Hall C, onde está localizado o Borexino, ainda causaram a persistência de pequenas correntes de fluido, obscurecendo o sinal CNO.
Então dois engenheiros de Princeton, Antonio Di Ludovico e Lidio Pietrofaccia, trabalharam com o engenheiro de pessoal da LNGS Graziano Panella para criar um sistema especial de tratamento de ar que mantém a temperatura do ar estável no Hall C. O Sistema Ativo de Controle de Temperatura (ATCS), desenvolvido no final de 2019, finalmente produziu estabilidade térmica suficiente fora e dentro do balão para silenciar as correntes dentro do detector, finalmente impedindo que os isótopos contaminantes fossem transportados das paredes do balão para o núcleo do detector.
O esforço valeu a pena.
“A eliminação deste fundo radioativo criou uma região de fundo baixo de Borexino que tornou possível a medição de neutrinos CNO”, disse Calaprice.
“Os dados estão ficando cada vez melhores”
Antes da descoberta do neutrino CNO, o laboratório tinha planejado terminar as operações de Borexino no final de 2020. Agora, parece que a coleta de dados poderia se estender até 2021.
O volume de hidrocarbonetos ainda no coração do detector Borexino continuou a crescer em tamanho desde fevereiro de 2020, quando os dados para o papel da Natureza foram coletados. Isso significa que, além de revelar os neutrinos CNO que são o tema do artigo desta semana da Nature, há agora um potencial para ajudar a resolver o problema da “metalicidade” também – a questão de se o núcleo, as camadas externas e a superfície do sol têm todos a mesma concentração de elementos mais pesados que hélio ou hidrogênio.
“Continuamos coletando dados, já que a pureza central continuou a melhorar, tornando um novo resultado focado na metalicidade uma possibilidade real”, disse Calaprice. “Não só ainda estamos coletando dados, mas os dados estão ficando cada vez melhores”
Para mais sobre esta pesquisa:
- Neutrinos Yield First Experimental Evidence of the CNO Energy-Production Mechanism of the Universe
- Entendendo o Poder “Queimador de Hidrogênio” do Nosso Sol
Referência: “Evidência experimental dos neutrinos produzidos no ciclo de fusão CNO no Sol” por The Borexino Collaboration, 25 de Novembro de 2020, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-020-2934-0
Outros Princetonians da equipe Borexino incluem Jay Benziger, professor de engenharia química e biológica emérito, que projetou o fluido detector superpurificado; Cristiano Galbiati, professor de física; Paul LaMarche, agora vice-reitor de programação e planejamento espacial, que foi o gerente de projeto original de Borexino; XueFeng Ding, associado de pesquisa pós-doutorado em física; e Andrea Ianni, gerente de projeto em física.
Como muitos dos cientistas e engenheiros do coletivo Borexino, Vogelaar e Pocar começaram o projeto enquanto estavam no laboratório de Calaprice em Princeton. Vogelaar trabalhou no balão de nylon enquanto pesquisadora e depois professora assistente em Princeton, e na calibração, monitoramento de detectores, modelagem dinâmica de fluidos e estabilização térmica na Virginia Tech. Pocar trabalhou no projeto e construção do balão de náilon e no comissionamento do sistema de manuseio de fluido em Princeton. Mais tarde ele trabalhou com seus alunos na UMass-Amherst na análise de dados e técnicas para caracterizar os antecedentes para a CNO e outras medições de neutrino solar.
Este trabalho foi apoiado nos EUA pela National Science Foundation, Princeton University, University of Massachusetts e Virginia Tech. Borexino é uma colaboração internacional também financiada pelo Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear (INFN), e agências de financiamento na Alemanha, Rússia e Polônia.