Los científicos detectan la señal que revela el motor del universo

Físicos de partículas han detectado neutrinos del Sol, revelando directamente por primera vez que el ciclo de fusión CNO (carbono-nitrógeno-oxígeno) está funcionando en nuestra estrella.

El ciclo CNO es la fuente de energía dominante que impulsa a estrellas más pesadas que el Sol, pero hasta ahora nunca se había detectado directamente en ninguna estrella, explica en un comunicado el coautor Andrea Pocar de la Universidad de Massachusetts Amherst. Los resultados se publican en Nature.

Durante gran parte de su vida, las estrellas obtienen energía fusionando hidrógeno en helio. En estrellas como nuestro sol o más ligeras, esto ocurre principalmente a través de las cadenas 'protón-protón'. Sin embargo, muchas estrellas son más pesadas y calientes que nuestro sol e incluyen elementos más pesados que el helio en su composición, una cualidad conocida como metalicidad. La predicción desde la década de 1930 es que el ciclo CNO será dominante en las estrellas pesadas.

Los neutrinos emitidos como parte de estos procesos proporcionan una firma espectral que permite a los científicos distinguir los de la 'cadena protón-protón' de los del 'ciclo CNO'. Pocar señala: "La confirmación de que CNO arde en nuestro sol, donde opera a solo el uno por ciento, refuerza nuestra confianza en que entendemos cómo funcionan las estrellas".

Más allá de esto, los neutrinos CNO pueden ayudar a resolver una importante cuestión abierta en la física estelar, agrega. Es decir, cómo la metalicidad central del sol, que solo puede ser determinada por la tasa de neutrinos CNO del núcleo, está relacionada con la metalicidad en otras partes de una estrella. Los modelos tradicionales han tropezado con una dificultad: las medidas de metalicidad de la superficie por espectroscopia no concuerdan con las medidas de metalicidad del subsuelo inferidas de un método diferente, las observaciones de heliosismología.

Pocar dice que los neutrinos son realmente la única sonda directa que la ciencia tiene para el núcleo de las estrellas, incluido el Sol, pero son extremadamente difíciles de medir. Hasta 420.000 millones de ellos golpean cada pulgada cuadrada de la superficie de la tierra por segundo, sin embargo, prácticamente todos pasan sin interactuar. Los científicos solo pueden detectarlos utilizando detectores muy grandes con niveles de radiación de fondo excepcionalmente bajos.

El detector Borexino se encuentra en las profundidades de los Apeninos en el centro de Italia en el Laboratori Nazionali del Gran Sasso del INFN. Detecta los 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 radiación de fondo bajo, dice Pocar. El proyecto fue iniciado a principios de la década de 1990.

Hasta sus últimas detecciones, la colaboración de 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 del ciclo: la energía muy baja ' pp 'neutrinos, recuerda Pocar.

Sus investigadores soñaban con ampliar el alcance de la ciencia para buscar también los neutrinos CNO, en una región espectral estrecha con un fondo particularmente bajo, pero ese premio parecía fuera de su alcance. Sin embargo, los grupos de investigación de Princeton, Virginia Tech y UMass Amherst creían que los neutrinos CNO aún podrían revelarse utilizando los pasos y métodos de purificación adicionales que habían desarrollado para lograr la exquisita estabilidad del detector requerida.

A lo largo de los años y gracias a una secuencia de movimientos para identificar y estabilizar los antecedentes, los científicos estadounidenses y toda la colaboración tuvieron éxito. "Más allá de revelar los neutrinos CNO, que es el tema del artículo de Nature de esta semana, ahora existe incluso un potencial para ayudar a resolver el problema de la metalicidad", dice Pocar.

Antes del descubrimiento del neutrino CNO, el laboratorio había programado que Borexino finalizara sus operaciones a fines de 2020. Pero debido a que los datos utilizados en el análisis para el artículo de Nature se congelaron, los científicos continuaron recopilando datos, ya que la pureza central continuó mejorando, haciendo que un nuevo resultado centrado en la metalicidad sea una posibilidad real, dice Pocar. La recopilación de datos podría extenderse hasta 2021, ya que la logística y los permisos necesarios, mientras están en curso, no son triviales y requieren mucho tiempo. "Cada día extra ayuda", comenta.