Un detector de neutrinos obtiene la primera prueba experimental de cómo brillan las estrellas masivas

Esfera del detector interno de Borexino en su fase de construcción final, con 2.212 tubos fotomultiplicadores instalados sobre sus paredes para recoger la señal de luz emitida por los neutrinos en el centelleador líquido que contiene. / Borexino

Los responsables del observatorio de neutrinos Borexino (diminutivo italiano de BOREX, BORon solar neutrino EXperiment), situado en los Laboratorios Nacionales del Gran Sasso en Italia, anuncian esta semana en la revista Nature la primera detección de neutrinos producidos en el Sol por el denominado ciclo CNO (carbono-nitrógeno-oxígeno).

Este ciclo, también llamado ciclo Bethe-Weizsäcker en honor a sus descubridores, es una de las dos reacciones nucleares de fusión por las que las estrellas convierten hidrógeno en helio, siendo la otra la cadena protón-protón. De hecho, brillan gracias a estas fusiones nucleares.

El experimento Borexino ha detectado neutrinos producidos en el Sol mediante un ciclo de fusión de hidrógeno canalizado por carbono, nitrógeno y oxígeno, el ciclo que predomina en la multitud de estrellas masivas que brillan en el universo

El ciclo CNO es el dominante en las estrellas más masivas que nuestro Sol, por lo que la observación presentada ahora es la prueba experimental de la reacción principal de fusión de hidrogeno en el universo. Las implicaciones de la nueva medición para la comprensión de los mecanismos de funcionamiento estelar son, por tanto, enormes.

“Se trata de un resultado histórico que completa un capítulo de la física iniciado en la década de 1930”, afirma David Bravo Berguño, investigador de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y miembro de la colaboración internacional Borexino.

La existencia del ciclo carbono-nitrógeno-oxígeno fue teorizada por primera vez en 1938, cuando los científicos Hans Bethe y Carl F. von Weizsacker propusieron (de forma independiente) que la fusión de hidrógeno en las estrellas podría también estar canalizada por los núcleos pesados de estos tres elementos, en una serie cíclica de reacciones nucleares, complementando las secuencias de la cadena protón-protón.

A pesar de las demostraciones indirectas derivadas de observaciones astronómicas y astrofísicas, hace décadas que se busca la confirmación experimental directa de este hipotético mecanismo estelar de generación de energía.

La estrategia se centró en los neutrinos, partículas producidas en abundancia en estas reacciones. En concreto, en los neutrinos solares, que solo pueden observarse con detectores muy sensibles y capaces de excluir las fuentes de ruido de fondo: trazas minúsculas de contaminación radiactiva natural y cósmica.

Un detector único con diseño de cebolla

Para conseguir la sensibilidad necesaria, Borexino arrancó en 1990 con un diseño ‘de cebolla’, caracterizado por capas de radiopureza creciente hacia su centro, y alcanzando un nivel tan bajo de fondo (sin parangón en ningún otro experimento) que lo convierten en un detector único en el mundo.

El detector incorpora una esfera con 2.212 tubos fotomultiplicadores instalados sobre sus paredes para recoger la señal de luz emitida por los neutrinos en un centelleador líquido.

“Finalmente tenemos la primera confirmación de cómo brillan las estrellas más pesadas que nuestro Sol. Es la culminación de un esfuerzo colectivo de 30 años”, ha declarado Gianpaolo Bellini, uno de los padres fundadores del experimento
La profundidad de las salas experimentales del Laboratorio Subterráneo del Gran Sasso lo protege de la radiación cósmica, con la excepción de los propios neutrinos, que pasan a través de la Tierra sin casi atenuarse.

En trabajos anteriores la colaboración Borexino ya había estudiado en detalle el mecanismo principal de producción de energía en el Sol: la cadena protón-protón, detectando individualmente todos los flujos de neutrinos que origina.

Ahora, midiendo los neutrinos producidos en el ciclo CNO, que en el Sol representan el 1 % del total, es cuando el detector ha obtenido la primera evidencia experimental de la existencia de este mecanismo adicional de generación de energía.

“Finalmente tenemos la primera e innovadora confirmación de cómo brillan las estrellas más pesadas que nuestro Sol. Es la culminación de un esfuerzo colectivo de 30 años”, ha declarado Gianpaolo Bellini, uno de los padres fundadores del experimento.

Medir los neutrinos del ciclo CNO ha sido una tarea complicada que demandó grandes avances técnicos e informáticos. Uno de los portavoces de la colaboración, Marco Pallavicini, señala que el experimento “ha llevado la tecnología de centelleadores líquidos más allá de cualquier límite alcanzado hasta ahora, haciendo del núcleo de Borexino la sustancia menos radiactiva del mundo”.

“A pesar de los éxitos pasados y un detector ya ultrapuro, tuvimos que esforzarnos para mejorar aún más la supresión y la comprensión de los bajísimos fondos remanentes, de manera que pudiésemos identificar por fin los neutrinos del ciclo CNO”, concluye Gioacchino Ranucci, actual portavoz de Borexino.

Referencia: 

The Borexino Collaboration. “Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun”. Nature, 2020

Fuente: UAM