El detector Borexino, un instrumento hipersensible situado en las profundidades de Italia, ha logrado por fin la tarea casi imposible de detectar neutrinos CNO procedentes del núcleo de nuestro Sol. Estas partículas poco conocidas revelan el último detalle que faltaba del ciclo de fusión que impulsa a nuestro sol y a otras estrellas, y podrían responder a preguntas aún pendientes sobre la composición del sol. Crédito: Borexino Collaboration

Un instrumento hipersensible, situado en las profundidades de Italia, ha logrado por fin la tarea casi imposible de detectar neutrinos CNO (partículas diminutas que indican la presencia de carbono, nitrógeno y oxígeno) en el núcleo de nuestro sol. Estas partículas poco conocidas revelan el último detalle que faltaba del ciclo de fusión que alimenta nuestro sol y otras estrellas.

En los resultados publicados el 26 de noviembre de 2020 en la revista Nature (y que aparecen en la portada), los investigadores de la colaboración Borexino informan de las primeras detecciones de este raro tipo de neutrinos, llamados «partículas fantasma» porque atraviesan la mayor parte de la materia sin dejar rastro.

Los neutrinos fueron detectados por el detector Borexino, un enorme experimento subterráneo en el centro de Italia. El proyecto multinacional cuenta con el apoyo en Estados Unidos de la Fundación Nacional de la Ciencia en el marco de una subvención compartida supervisada por Frank Calaprice, profesor de física emérito de Princeton; Andrea Pocar, ex alumna graduada de Princeton en 2003 y profesora de física en la Universidad de Massachusetts-Amherst; y Bruce Vogelaar, profesor de física del Instituto Politécnico y Universidad Estatal de Virginia (Virginia Tech).

La detección de la «partícula fantasma» confirma las predicciones de la década de 1930 de que parte de la energía de nuestro sol se genera mediante una cadena de reacciones en las que intervienen el carbono, el nitrógeno y el oxígeno (CNO). Esta reacción produce menos del 1% de la energía solar, pero se cree que es la principal fuente de energía en las estrellas más grandes. Este proceso libera dos neutrinos -las partículas elementales de materia más ligeras que se conocen- así como otras partículas subatómicas y energía. El proceso más abundante para la fusión de hidrógeno a helio también libera neutrinos, pero sus firmas espectrales son diferentes, lo que permite a los científicos distinguirlos.

«La confirmación de la combustión de CNO en nuestro sol, donde opera sólo a un nivel del 1%, refuerza nuestra confianza en que entendemos cómo funcionan las estrellas», dijo Calaprice, uno de los creadores y principales investigadores de Borexino.

Neutrinos de CNO: Ventanas al sol

Durante gran parte de su vida, las estrellas obtienen energía mediante la fusión de hidrógeno en helio. En estrellas como nuestro sol, esto ocurre predominantemente a través de cadenas protón-protón. Sin embargo, en las estrellas más pesadas y calientes, el carbono y el nitrógeno catalizan la combustión del hidrógeno y liberan neutrinos CNO. El hallazgo de cualquier neutrino nos ayuda a asomarnos al funcionamiento del interior del sol; cuando el detector Borexino descubrió neutrinos protón-protón, la noticia iluminó el mundo científico.

Pero los neutrinos CNO no sólo confirman que el proceso CNO está en marcha en el interior del sol, sino que también pueden ayudar a resolver una importante cuestión abierta en la física estelar: qué parte del interior del sol está formada por «metales», que los astrofísicos definen como cualquier elemento más pesado que el hidrógeno o el helio, y si la «metalicidad» del núcleo coincide con la de la superficie o las capas exteriores del sol.

Desgraciadamente, los neutrinos son extremadamente difíciles de medir. Más de 400.000 millones de ellos golpean cada centímetro cuadrado de la superficie de la Tierra cada segundo, pero prácticamente todas estas «partículas fantasma» atraviesan todo el planeta sin interactuar con nada, lo que obliga a los científicos a utilizar instrumentos muy grandes y cuidadosamente protegidos para detectarlos.

El detector Borexino se encuentra a media milla bajo los montes Apeninos, en el centro de Italia, en el Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) del Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia, donde un gigantesco globo de nylon -de unos 30 pies de diámetro- lleno de 300 toneladas de hidrocarburos líquidos ultrapuros se mantiene en una cámara esférica de varias capas que está sumergida en agua. Una pequeña fracción de los neutrinos que atraviesan el planeta rebotará en los electrones de estos hidrocarburos, produciendo destellos de luz que pueden ser detectados por los sensores de fotones que recubren el depósito de agua. La gran profundidad, el tamaño y la pureza hacen de Borexino un detector realmente único para este tipo de ciencia.

El proyecto Borexino fue iniciado a principios de la década de 1990 por un grupo de físicos liderados por Calaprice, Gianpaolo Bellini en la Universidad de Milán, y el difunto Raju Raghavan (entonces en los Laboratorios Bell). En los últimos 30 años, investigadores de todo el mundo han contribuido a encontrar la cadena protón-protón de neutrinos y, hace unos cinco años, el equipo inició la búsqueda de los neutrinos CNO.

Suprimiendo el fondo

«Los últimos 30 años han consistido en suprimir el fondo radiactivo», dijo Calaprice.

La mayoría de los neutrinos detectados por Borexino son neutrinos protón-protón, pero unos pocos son neutrinos CNO reconocibles. Por desgracia, los neutrinos CNO se parecen a las partículas producidas por la desintegración radiactiva del polonio 210, un isótopo que se escapa del gigantesco globo de nylon. Separar los neutrinos del sol de la contaminación por polonio requirió un minucioso esfuerzo, dirigido por científicos de Princeton, que comenzó en 2014. Como no se podía evitar que la radiación se filtrara fuera del globo, los científicos encontraron otra solución: ignorar las señales del borde exterior contaminado de la esfera y proteger el interior profundo del globo. Para ello tuvieron que reducir drásticamente el ritmo de movimiento de los fluidos dentro del globo. La mayor parte del flujo de fluido está impulsado por las diferencias de calor, por lo que el equipo estadounidense trabajó para conseguir un perfil de temperatura muy estable para el depósito y los hidrocarburos, para que el fluido estuviera lo más quieto posible. La temperatura fue cartografiada con precisión por un conjunto de sondas de temperatura instaladas por el grupo de Virginia Tech, dirigido por Vogelaar.

«Si este movimiento pudiera reducirse lo suficiente, podríamos entonces observar los esperados cinco o más retrocesos de baja energía por día que se deben a los neutrinos CNO», dijo Calaprice. «Como referencia, un pie cúbico de ‘aire fresco’ -que es mil veces menos denso que el fluido de hidrocarburos- experimenta unas 100.000 desintegraciones radiactivas al día, en su mayor parte procedentes del gas radón.»

Para asegurar la quietud dentro del fluido, los científicos e ingenieros de Princeton y Virginia Tech desarrollaron un hardware para aislar el detector -esencialmente una manta gigante para envolverlo- en 2014 y 2015, y luego añadieron tres circuitos de calefacción que mantienen una temperatura perfectamente estable. Estos lograron controlar la temperatura del detector, pero los cambios de temperatura estacionales en la sala C, donde se encuentra el Borexino, seguían provocando la persistencia de pequeñas corrientes de fluido que oscurecían la señal del CNO.

Así que dos ingenieros de Princeton, Antonio Di Ludovico y Lidio Pietrofaccia, trabajaron con el ingeniero del personal del LNGS, Graziano Panella, para crear un sistema especial de tratamiento del aire que mantiene una temperatura estable en la sala C. El sistema de control activo de la temperatura (ATCS), desarrollado a finales de 2019, produjo finalmente una estabilidad térmica suficiente en el exterior y el interior del globo para calmar las corrientes en el interior del detector, impidiendo finalmente que los isótopos contaminantes sean transportados desde las paredes del globo al núcleo del detector.

El esfuerzo dio sus frutos.

«La eliminación de este fondo radiactivo creó una región de bajo fondo de Borexino que hizo posible la medición de los neutrinos CNO», dijo Calaprice.

«Los datos son cada vez mejores»

Antes del descubrimiento de los neutrinos CNO, el laboratorio había planeado finalizar las operaciones de Borexino a finales de 2020. Ahora, parece que la recopilación de datos podría extenderse hasta 2021.

El volumen de hidrocarburos inmóviles en el corazón del detector Borexino ha seguido creciendo en tamaño desde febrero de 2020, cuando se recogieron los datos para el artículo de Nature. Eso significa que, más allá de revelar los neutrinos CNO que son el tema del artículo de Nature de esta semana, ahora existe la posibilidad de ayudar a resolver también el problema de la «metalicidad», es decir, la cuestión de si el núcleo, las capas exteriores y la superficie del sol tienen la misma concentración de elementos más pesados que el helio o el hidrógeno.

«Hemos seguido recogiendo datos, ya que la pureza central ha seguido mejorando, lo que hace que un nuevo resultado centrado en la metalicidad sea una posibilidad real», dijo Calaprice. «No sólo seguimos recopilando datos, sino que los datos son cada vez mejores»

Para más información sobre esta investigación:

• Los neutrinos arrojan la primera evidencia experimental del mecanismo de producción de energía CNO del Universo
• Entendiendo el poder de «quema de hidrógeno» de nuestro Sol

Referencia: «Evidencia experimental de neutrinos producidos en el ciclo de fusión CNO en el Sol» por The Borexino Collaboration, 25 de noviembre de 2020, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-020-2934-0

Otros miembros de Princeton que forman parte del equipo de Borexino son Jay Benziger, profesor emérito de ingeniería química y biológica, que diseñó el fluido detector superpuro; Cristiano Galbiati, profesor de física; Paul LaMarche, actual vicerrector de programación y planificación espacial, que fue el director del proyecto original de Borexino; XueFeng Ding, investigador postdoctoral asociado en física; y Andrea Ianni, director del proyecto en física.

Como muchos de los científicos e ingenieros del colectivo Borexino, Vogelaar y Pocar se iniciaron en el proyecto mientras estaban en el laboratorio de Calaprice en Princeton. Vogelaar trabajó en el globo de nylon mientras era investigador y luego profesor asistente en Princeton, y en la calibración, la monitorización del detector y el modelado dinámico de fluidos y la estabilización térmica en Virginia Tech. Pocar trabajó en el diseño y construcción del globo de nylon y en la puesta en marcha del sistema de manejo de fluidos en Princeton. Posteriormente trabajó con sus estudiantes en UMass-Amherst en el análisis de datos y en las técnicas para caracterizar los fondos del CNO y otras mediciones de neutrinos solares.

Este trabajo fue apoyado en Estados Unidos por la National Science Foundation, la Universidad de Princeton, la Universidad de Massachusetts y Virginia Tech. Borexino es una colaboración internacional financiada también por el Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear (INFN), y por organismos de financiación de Alemania, Rusia y Polonia.