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Primera prueba experimental de cómo brillan las estrellas masivas

26/11/2020
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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

La colaboración internacional responsable del observatorio de neutrinos Borexino, en la que han participado investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), ha obtenido evidencias experimentales de la principal reacción de fusión de hidrógeno en el Universo. Los resultados, publicados en Nature, validan las teorías desarrolladas hace más de 80 años que explican los mecanismos estelares.

Los responsables del observatorio de neutrinos Borexino, en los Laboratorios Nacionales del Gran Sasso (Italia), anuncian hoy en la revista Nature la primera detección de los neutrinos producidos en el Sol por el ciclo CNO (carbono-nitrógeno-oxígeno).

“Se trata de un resultado histórico que completa un capitulo de la física iniciado en la década de 1930”, afirma David Bravo Berguño, investigador afiliado a la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) durante el desarrollo de este trabajo y miembro de la colaboración internacional que se encarga de dirigir el observatorio.

Ciertamente, las implicaciones de esta nueva medición para la comprensión de los mecanismos de funcionamiento estelar son enormes. Puesto que el ciclo CNO es dominante en estrellas más masivas que el Sol, con esta observación Borexino ha alcanzado la evidencia experimental de la reacción principal de fusión de hidrógeno en el Universo.

En trabajos anteriores la colaboración 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, Borexino 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 treinta años”, ha declarado Gianpaolo Bellini, uno de los padres fundadores del experimento que se inicio en 1990. 


Un detector único en el mundo

Los neutrinos solares sólo pueden observarse con detectores muy sensibles y capaces de excluir las fuentes de ruido de fondo: trazas minúsculas de contaminación radiactiva natural y cósmica.

Para conseguir la sensibilidad necesaria, Borexino se construyó con un diseño “de cebolla”, caracterizado por capas de radiopureza creciente hacia su centro, y alcanzando un nivel tan bajo de fondos —sin parangón en ningún otro experimento— que lo convierten en un detector único en el mundo.

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.

Medir los neutrinos del ciclo CNO fue una tarea complicada que demandó grandes avances técnicos e informáticos. “A pesar de los éxitos pasados y un detector ya ultra-puro, tuvimos que esforzarnos para mejorar aún más la supresión y la comprensión de los bajísimos fondos remanentes, de manera que pudiésemos identificar los neutrinos del ciclo CNO”, detalla Gioacchino Ranucci, actual portavoz de Borexino.

Por su parte, para el co-portavoz Marco Pallavicini, 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”.


El ciclo CNO: una historia de 80 años

La existencia del ciclo carbono-nitrógeno-oxígeno fue teorizada por primera vez en 1938, cuando los científicos Hans Bethe y Carl Friedrich von Weizsacker propusieron —independientemente— 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, la confirmación experimental directa de este hipotético mecanismo estelar de generación de energía no fue fácil de obtener. La estrategia se centró en los neutrinos: partículas producidas en abundancia en estas reacciones. Esto llevó a la creación en la década de 1960 de programas científicos de neutrinos solares, que dieron lugar a resultados de gran importancia para la física de partículas.

En el curso de esta carrera de casi un siglo por desentrañar los misterios del Sol y las estrellas, los neutrinos solares también fueron clave para identificar el fenómeno de la oscilación de los neutrinos, uno de los más grandes descubrimientos de la física de partículas del nuevo milenio.

 

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Referencia bibliográfica:

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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