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29 de Junio de 2020
Astrofísica

Los neutrinos revelan el secreto final de la fusión nuclear en el Sol

La detección de partículas producidas en el núcleo del Sol respalda una teoría que se venía aceptando desde hacía mucho relativa a la producción de energía en nuestra estrella.

Borexino [Colaboración Borexino].

Los físicos, al captar neutrinos que emanan del núcleo del Sol, han añadido el detalle que faltaba en lo que se refiere a la producción de energía por la fusión nuclear en nuestra estrella.

La detección confirma unas predicciones teóricas de hace mucho, según las cuales uno de los procesos que genera energía en el Sol es una cadena de reacciones en las que intervienen núcleos de carbono, nitrógeno y oxígeno. Este proceso fusiona cuatro protones en un núcleo de helio, y libera dos neutrinos, la más ligera de las partículas conocidas de la materia, así como otras partículas subatómicas y copiosas cantidades de energía. Esta reacción carbono-nitrógeno-oxígeno (CNO) no es la única ruta por la que se produce la fusión en el Sol: genera menos del 1% de la energía del Sol. Pero se cree que es la fuente dominante de energía en estrellas más grandes. Los resultados suponen la primera detección directa de neutrinos generados por este proceso.

«Es bello intelectualmente confirmar de verdad una de las predicciones fundamentales de la teoría de la estructura estelar», dice Marc Pinsonneault, astrofísico de la Universidad del Estado de Ohio, en Columbus.

El equipo del experimento subterráneo Borexino, que se realiza en el centro de Italia, informó de los hallazgos, que no han sido todavía revisados por pares, en el congreso virtual Neutrino 2000.

Esa instalación fue la primera en detectar directamente neutrinos creados por diferentes pasos de una reacción distinta, la denominada cadena protón-protón, a la que se debe la mayor parte de la fusión nuclear en el Sol. «Con el nuevo logro, Borexino ha separado los dos procesos que le dan energía al Sol», dice Gioacchino Ranucci, que presentó los resultados y es coportavoz de Borexino y físico de la Universidad de Milán.

Los hallazgos son un logro final para Borexino, que sigue tomando datos pero que seguramente cerrará de aquí en un año. «Hemos acabado con una traca final», dice el otro coportavoz, Marco Pallavicini, físico de la Universidad de Génova.

Detector en globo

El experimento de los neutrinos solares Borexino está instalado bajo más de un kilómetro de roca en los Laboratorios Nacionales del Gran Sasso, cerca de L'Aquila, en Italia; lleva funcionando desde 2007. El dispositivo consiste en un globo gigante de nailon relleno con 278 toneladas de hidrocarburos líquidos y sumergido en agua. La gran mayoría de los neutrinos del Sol atraviesan velozmente en línea recta la Tierra (y Borexino), pero un número diminuto de ellos rebota en los electrones de los hidrocarburos, lo que hace que se produzcan destellos de luz captados por los sensores fotónicos que recubren la pared del tanque de agua.

Los neutrinos de la cadena de reacciones CNO son bastante raros, ya que a esta le corresponde solo una pequeña parte de la fusión solar. Además, es fácil confundir los neutrinos CNO con los producidos por la desintegración radiactiva del bismuto 210, isótopo que pasa del nailon del globo a la mezcla de hidrocarburos.

Aunque solo se da esa contaminación en concentraciones sumamente bajas, como mucho unas decenas de desintegraciones de núcleos de bismuto al día, separar la señal solar del ruido del bismuto requirió penosos esfuerzos desde 2014. No se podía evitar que el bismuto se desprendiese del globo, así que el objetivo fue frenar el ritmo al que el elemento se infiltraba en medio del fluido e ignorar las señales que vienen del borde exterior. Para ello, el equipo tuvo que controlar los desequilibrios de temperatura a través del tanque, que producen convección y mezclan sus contenidos más deprisa. «El líquido debe estar extraordinariamente tranquilo; ha de moverse como mucho unas decenas de centímetros al mes», explica Pallavicini.

A fin de mantener los hidrocarburos a una temperatura constante, uniforme, envolvieron el tanque entero con una manta aislante e instalaron intercambiadores de calor para equilibrar automáticamente la temperatura en cada punto. Y entonces esperaron. Solo en 2019 se silenció tanto el ruido del bismuto que la señal neutrínica afloró. A principios de 2020 habían sumado suficientes partículas como para detectar neutrinos procedentes de la cadena de fusiones nucleares CN.

«Es la primera prueba directa de que en las estrellas se produce la quema de hidrógeno mediante CNO», dice Aldo Serenelli, astrofísico del Instituto de Ciencias Espaciales de Barcelona. «Así que es verdaderamente asombroso».

La conjetura de la superficie solar

Aparte de confirmar las predicciones teóricas, la detección de los neutrinos CN podría arrojar luz sobre la estructura de su núcleo, en concreto sobre las concentraciones de los elementos que los astrofísicos llaman metales (cualquiera más pesado que el hidrógeno y el helio).

Las cantidades de neutrinos vistas por Borexino parecen coherentes con los modelos estándar, según los cuales la «metalicidad» del núcleo del Sol es parecida a la de su superficie. Pero estudios más actualizados han empezado a poner en duda esa suposición, dice Serenelli.

Según esos estudios, la metalicidad es menor. Y como esos elementos regulan la velocidad a la que el calor se difunde desde el núcleo del Sol, significa que el núcleo está un poco más frío que lo calculado en estimaciones anteriores. La producción de neutrinos es extremadamente sensible a la temperatura y, tomadas en conjunto, las diversas cantidades de neutrinos vistos por Borexino parecen congruentes con los viejos valores de la metalicidad, no con los nuevos, dice Serenelli.

Como posible explicación, él y otros astrofísicos han planteado que el núcleo tiene una metalicidad mayor que las capas exteriores. Su composición podría informar de las etapas primeras del Sol, antes de que la formación de los planetas retirase algunos de los elementos que la acreción estaba acumulando en la joven estrella.

Davide Castelvecchi/Nature News

Referencia: «First Direct Experimental Evidence of CNO neutrinos», de la Colaboración Borexino, en arXiv:2006.15115 [hep-ex].

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

Más información en el sitio en la Red de Neutrino 2020.

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