NeoFronteras

Detectan directamente los neutrinos solares procedentes del ciclo CNO de reacciones nucleares de fusión.

El Sol no explota como un bomba H porque no está compuesto por solamente deuterio o alguna otra mezcla adecuada de isótopos. Si así fuera se tendría el número adecuado de protones y neutrones en las reacciones de fusión como para que la fuerza nuclear fuerte arrasase con todo.

Pero esa no es la situación. Al estar el Sol compuesto por hidrógeno simple, se tienen muchos protones, pero pocos neutrones. Para forma helio se necesitan dos protones y dos neutrones. Así que dos de los protones necesario tienen que ser transformados en neutrones y para ello se necesita que esté involucrada la fuerza nuclear débil. Esta fuerza actúa lentamente, por lo que el Sol no explota. En este caso se necesita una reacción que produzca un positrón, un neutrino electrónico y un neutrón a partir de un protón y se dice de ella que es limitante.

Hubo un tiempo en el que la detección de los neutrinos solares implicaba que se registraban menos de los que deberían. Si calculamos la energía que emite el Sol, algo relativamente fácil, se puede deducir la cantidad de reacciones de fusión para esa cantidad de energía y, por tanto, la cantidad de neutrinos.

Los primeros experimentos de detección de neutrinos solares daban menos cantidad de neutrinos de lo esperado. Eso significaba que las reacciones de fusión eran menores y que el Sol se apagaría una vez la energía producida de forma deficitaria en el pasado alcanzase la superficie. Esto se debe que la energía que recibimos del Sol necesita mucho tiempo para ser irradiada desde que se genera en el núcleo hasta que llega a la superficie, pero los neutrinos nos llegan a la velocidad de la luz desde el núcleo al ser el Sol básicamente transparentes para ellos. Alguna novela de ciencia ficción se basaba en esa premisa para plantear un futuro en el que la humanidad tenía que emigrar de la Tierra antes de que esta se congelase.

Afortunadamente, se encontró una solución mejor a este misterio. Los detectores de neutrinos detectan prioritariamente neutrinos electrónicos, pero no de los otros dos tipos (muónioco y tau). Si los neutrinos oscilan y se transforman unos en otros, los neutrinos electrónicos emitidos por las reacciones nucleares del núcleo, van cambiando de tipo en su camino a la Tierra y por eso se detectan menos. Este aspecto de la oscilación de neutrinos es algo que se comprobó experimentalmente más tarde. Así que este misterio de los neutrinos solares quedó resuelto.

Pero si pensamos que con eso quedó hecho todo lo que se puede hacer con los neutrinos solares no equivocaremos.

Saber exactamente qué reacciones nucleares de fusión se dan en el núcleo de una estrella no es fácil. Se pueden hacer cálculos teóricos, pero no es sencillo de comprobar experimentalmente los resultados de esos cálculos. Básicamente no podemos ver el interior. Pero los neutrinos atraviesan sin problemas las estrellas, o años luz de plomo, así que podemos observar el Sol en neutrinos y esto nos permite estudiar su interior. La pega es que los neutrinos no interaccionan casi nunca y por eso atraviesan todo lo mencionado, pero eso significa que tampoco interaccionan mucho con nuestros detectores.

Hace décadas se propuso que parte de la energía de fusión nuclear del Sol se produce a través del ciclo (o biciclo) de reacciones CNO, en el que están involucrados núcleos de carbono, nitrógeno y oxígeno. En esta cadena se liberan dos neutrinos con una energía determinada y otras partículas.

Este no es ni siquiera el modo habitual en el que el Sol produce energía. De hecho sólo significa el 1% de la energía que produce, pero sí es el dominante en otro tipo de estrellas más pesadas. Un grupo de científicos ha confirmado precisamente este tipo de reacción en Sol a partir de la observación de neutrinos con el experimento Borexino que se encuentra ubicado en Italia. Lo ha anunciado recientemente en un congreso.

Con este montaje experimental ya se demostró anteriormente tres pasos distintos de otra la otra reacción de fusión: la cadena protón-protón que es la que da cuenta de la mayor parte de la energía producida por el Sol.

El nuevo resultado complementa los anteriores y completa el total de la energía producida por nuestra estrella al confirmar los dos procesos.

El experimento Borexino está instalado en los Laboratorios de Gran Sasso desde 2007. Consiste en un contenedor esférico relleno de 278 toneladas de hidrocarburos sumergido en agua (ver foto). La inmensa mayoría de los neutrinos atraviesan el montaje e incluso la Tierra sin inmutarse, pero unos pocos interaccionar con una molécula de hidrocarburo, esta retrocede y entonces emite un destello de luz Cherenkov que es registrada por unos tubos fotomultiplicadores.

El problema de detectar los neutrinos procedentes del ciclo CNO es que, además de ser escasos comparados con los otros emitidos por el Sol, se pueden confundir con los procedentes de decaimiento radiactivo del bismuto 210, un isótopo que puede pasar del nailon que forma el contenedor esférico o globo al interior en donde están los hidrocarburos.

Para poder realizar la discriminación, los investigadores han tenido que fijarse sólo en las señales del centro del globo e ignorar las procedentes de las capas cercanas a la membrana de nailon. Para ello hubo que controlar la temperatura de una forma exquisita, pues los hidrocarburos líquidos no se pueden mover más de unas pocas decenas de centímetros al mes. Para ello hubo que instalar intercambiadores de calor que contrarrestasen cualquier cambio que se detectase. Empezaron con este proyecto de los neutrinos del ciclo CNO en 2014, pero sólo en 2019 fue posible tener señales más o menos limpias.

La energía y número de neutrinos registrados confirma la teoría que hay detrás del ciclo CNO. Además confirmar el ciclo CNO, la detección de estos neutrinos nos habla de la estructura del núcleo del Sol, en especial de la concentración de elementos más pesados («metales») que el hidrógeno y el helio. Esto nos dice que la metalicidad del núcleo del Sol es baja.

Se trata de un resultado bello que confirma una de las predicciones de la estructura estelar, constituyendo la primera prueba de que el hidrógeno también se fusiona en las estrellas a través del ciclo CNO.

El hallazgo completa las metas marcadas en el experimento Borexino, que será cerrado en un año, pero que todavía sigue recopilando datos para así tener una mejor estadística.

El experimento Borexino ha sido muy criticado por mantener una gran cantidad de hidrocarburos que podrían contaminar los acuíferos de la zona. Un pequeño accidente ha terminado con llevar la polémica a los tribunales, por lo que se decidió su desmantelamiento. Desde ese momento tomar datos que confirmaran el ciclo CNO ha sido una carrera contrareloj.

Copyleft: atribuir con enlace a https://neofronteras.com

Fuentes y referencias:
Noticia en Nature.
Foto: Borexino Collaboration/LNGS-INFN