Físicos detectan neutrinos solares CNO por primera vez en la historia


El ciclo CNO (carbono-nitrógeno-oxígeno) es uno de los dos conjuntos conocidos de reacciones nucleares de fusión mediante las cuales las estrellas convierten hidrógeno en helio. El otro es la «cadena protón-protón» (cadena p-p), que es más eficiente a la temperatura central del Sol. Se hipotetiza que el ciclo CNO es dominante en estrellas que son más de 1,3 veces más masivas que el Sol. Por otra parte, la cadena protón-protón es más importante en las estrellas de la masa del Sol o menor.

¿Cómo funciona exactamente esto? Durante la mayor parte de su existencia, las estrellas se alimentan de la fusión del hidrógeno en helio. La fusión se produce a través de dos procesos que se comprenden bien teóricamente: la cadena protón-protón y el ciclo carbono-nitrógeno-oxígeno.

Los neutrinos que se emiten a lo largo de tales procesos en el núcleo solar son la única evidencia directa del interior profundo del Sol.

Previamente se realizó un estudio espectroscópico completo de neutrinos de la cadena p-p, un proceso físico que produce alrededor del 99% de la energía solar.

Ahora, físicos del Experimento Borexino informan sobre la «observación directa» de neutrinos producidos en el ciclo de carbono-nitrógeno-oxígeno en el Sol. Esta evidencia experimental se obtuvo utilizando un detector de neutrinos de gran volumen, llamado Borexino, que se encuentra en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso (LNGS) en Italia.

Neutrinos
"Los neutrinos son realmente la única evidencia directa que la ciencia tiene para [comprender] el núcleo de las estrellas, incluido el Sol, pero son extremadamente difíciles de medir", dijo la profesora Andrea Pocar, física de partículas de la Universidad de Massachusetts Amherst.

"Hasta 420 mil millones de ellos golpean cada pulgada cuadrada de la superficie de la Tierra por segundo, pero prácticamente todos pasan sin interactuar".

"Solo podemos detectarlos utilizando detectores muy grandes con niveles de radiactividad natural excepcionalmente bajos".

El detector Borexino se encuentra en las profundidades de los Apeninos en el centro de Italia en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso de la INFN.

Este instrumento detecta neutrinos como destellos de luz producidos cuando los neutrinos chocan con los electrones en 300 toneladas de centelleador orgánico ultrapuro.

Su gran profundidad, tamaño y pureza hacen de Borexino un detector único para este tipo de ciencia, único en su clase para la radiactividad natural baja.

Hasta sus últimas detecciones, la Colaboración Borexino había medido con éxito los componentes de los flujos de neutrinos solares 'protón-protón', ayudando a refinar los parámetros de oscilación del sabor de los neutrinos y, lo más impresionante, incluso midió el primer paso de todo este ciclo, es decir; midió los neutrinos p-p de muy baja energía.

Los investigadores de Borexino soñaban con ampliar el alcance de la ciencia para buscar también los neutrinos CNO, en una región espectral estrecha con una radiactividad natural particularmente baja, pero ese 'premio' parecía fuera de su alcance.

Sin embargo, los científicos creían que los neutrinos CNO aún podrían ser revelados a los ojos de la ciencia utilizando los pasos y métodos de purificación adicionales que habían desarrollado.

Ciclo carbono-nitrógeno-oxígeno
"La confirmación de la combustión de CNO en nuestro Sol, donde opera a sólo el 1%, refuerza nuestra confianza en que entendemos cómo funcionan las estrellas", dijo la profesora Pocar.

"Más allá de esto, los neutrinos CNO pueden ayudar a resolver una importante cuestión abierta en la física estelar".

"Cómo la metalicidad central del Sol, que solo puede ser determinada por la tasa de neutrinos CNO desde el núcleo, está relacionada con la metalicidad en otras partes de una estrella".

"Los modelos tradicionales se han encontrado con una dificultad: las medidas de metalicidad de la superficie por espectroscopia no concuerdan con las mediciones de metalicidad del subsuelo inferidas de un método diferente; las observaciones de heliosismología".

"Pudimos detectar neutrinos CNO utilizando el enorme detector del Experimento Borexino ubicado a 1.400 m bajo tierra", dijo el profesor Michael Wurm, físico de neutrinos del PRISMA + Cluster of Excellence en la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz.

"Nos brindan información clara sobre los procesos en el núcleo del Sol".

"Esto es consistente con las expectativas teóricas de que el ciclo CNO en el Sol es responsable de aproximadamente el 1% de la energía que produce", dijo el Dr. Daniele Guffanti, investigador postdoctoral en el PRISMA + Cluster of Excellence en la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz.

Crédito de la imagen: Centro de vuelo espacial Goddard.

Referencia del documento científico:
M. Agostini et al. (The Borexino Collaboration). 2020. Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun. Nature 587, 577-582; doi: 10.1038/s41586-020-2934-0

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