Fonte: Internet05 novembre 2018
L'esperimento Borexino, presso i LaboratoriNazionali del Gran Sasso, ha misurato lo spettroenergetico dei neutrini solari associati allereazioni nucleari che alimentano la nostra stella.Il risultato consente di gettare uno sguardonelle profondità del suo nucleo e ha importantiimplicazioni anche per la fisica dei neutrini poichéoffre ulteriore sostegno alle attuali interpretazionidelle oscillazioni del neutrino Aldo Serenelli/Nature
astrofisicafisica delle particelleL'energia viene generata all'interno del Soleattraverso sequenze di reazioni nucleari in cuiquattro protoni si fondono insieme per formareun nucleo di elio-4.Queste sequenze sono accompagnate dal rilasciodi due particelle note come neutrini elettronici.I modelli suggeriscono che il 99 per centodell'energia nucleare rilasciata dal Sole provieneda tre sequenze di reazione - note collettivamentecome la catena protone-protone (pp) - che sonoinnescate dalla fusione di due protoni.In un articolo su "Nature", la collaborazioneBorexino ha riportato
la prima misurazione completa dei flussi di neutrini che hanno origine da queste tresequenze, basata su un'analisi di oltre 2000 giornidi raccolta dei dati.I risultati ci aiutano a comprendere i dettagli di comee perché splende il Sole.I neutrini interagiscono debolmente con la materia,e quindi sfuggono dall'interno del Sole quasi senzaostacoli, raggiungendo la Terra circa otto minuti dopo.I neutrini solari offrono quindi uno sguardo diretto nellafornace nucleare nel nucleo del Sole.L'esperimento Borexino rileva questi neutrini e determinala quantità di energia che hanno misurando la quantitàdi luce che si produce quando le particelle interagisconocon l'agente di rivelazione (un liquido organico, chiamatoscintillatore, tenuto sotto terra per ridurre al minimola quantità di radiazione di fondo che può interferirecon i segnali del neutrino).A differenza di tutti gli altri esperimenti sul neutrinosolare, Borexino può misurare le energie dei neutrinisia ad alta sia a bassa energia, il che rende possibilestudiare la struttura del nucleo solare usando una tecnicanota come spettroscopia del neutrino.I neutrini elettronici possono mutare in altri due tipi(o sapori) di neutrini, noti come neutrini tauonici e muonici, mentre viaggiano verso la Terra, un fenomenonoto come oscillazione di sapore.L'esperimento di Borexino è più sensibile ai neutrinielettronici che ai neutrini tauonici o muonici, e quindil'oscillazione di sapore dev'essere considerata quandosi usano i flussi di neutrini misurati per calcolare i flussiprodotti nel Sole.Tenendo conto di ciò, i collaboratori di Borexino hannoutilizzato il flusso di neutrini misurati per calcolare lapotenza totale generata dalle reazioni nucleari nelnucleo del Sole con un'incertezza di circa il 10 per cento,e hanno scoperto che questa è pari all'emissione misuratadi fotoni, mostrando così che la fusione nucleare è davverola fonte di energia nel Sole.Questo valore, calcolato per la quantità di energiaprodotta dalle reazioni nucleari, è paragonabile ai precedenti risultati ottenuti combinando i dati di diversi esperimentidi rivelazione dei neutrini e pone vincoli più stringenti eindipendenti dal modello sulla sorgente di energia solare.I risultati hanno anche interessanti ramificazioni per lafisica dei neutrini. Combinando i loro dati con leprevisioni dei modelli solari standard, i ricercatorideterminano una quantità nota come probabilitàdi sopravvivenza dei neutroni elettronici(che descrive la probabilità che un neutrino elettronicocreato nel Sole sia rilevato ancora come neutrinoelettronico nel rivelatore) per i neutrini prodotti inquattro reazioni della catena pp.Le probabilità di sopravvivenza calcolate includonoil miglior valore disponibile per i neutrini a bassaenergia, che corrispondono a un regime energeticoin cui si prevede che l'oscillazione di sapore si verifichiper lo più in condizioni di vuoto.determinate per i neutrini a più alta energia, i risultati danno un forte sostegno alla nostra attualecomprensione delle oscillazioni del neutrino, basatasull'idea che i neutrini a bassa energia cambino saporementre si propagano attraverso il vuoto e che leoscillazioni dei neutrini ad alta energia siano aumentatedalle loro interazioni con gli elettroni.I nuovi risultati fanno luce anche su un paradosso divecchia data nella fisica solare, che emerge perché lacomposizione chimica del Sole non è ben stabilita.Le più recenti determinazioni spettroscopiche completedella metallicità del Sole (l'abbondanza di tutti glielementi solari più pesanti dell'elio) hanno prodotto unvalore inferiore del 35 per cento rispetto ai precedentirisultati spettroscopici.Curiosamente, quando i modelli numerici dell'internodel Sole sono costruiti usando il valore inferiore dellametallicità come un vincolo, le proprietà simulate sonoin disaccordo con la nostra conoscenza della strutturainterna del Sole (che è ben caratterizzata da studieliosismologici che analizzano le oscillazioni prodottedalle onde che si propagano all'interno del Sole).Ma quando vengono utilizzati valori di metallicità piùdatati (e più alti), le simulazioni riproducono moltobene le proprietà solari.Questo è noto come il problema dell'abbondanzasolare e mette in discussione la validità degli attualimodelli di evoluzione stellare, o dei metodispettroscopici per determinare la composizione delSole, o di entrambi.Tuttavia, i contributi relativi delle tre diversesequenze di reazione nella catena pp, determinatidall'esperimento di Borexino, possono essere usatiper inferire la temperatura nel nucleo solare, unaregione scarsamente mappata dagli studi eliosismologici.I risultati di Borexino suggeriscono una temperaturainterna che è coerente con le previsioni dei modelliche ipotizzano un'elevata metallicità solare.Tuttavia, Detto questo, non sono ancora abbastanzaprecisi da dare una risposta definitiva al problemadell'abbondanza solare, poiché sia i flussi di neutriniprevisti dai modelli solari a bassa sia quelli previstidai modelli ad alta metallicità sono compatibilicon i nuovi risultati.Nonostante ciò, l'esperimento Borexino potrebbefornire una risposta definitiva in futuro.Circa l'1 per cento dell'energia nucleare del Soleviene prodotta attraverso catene di reazioni nuclearinote come cicli CNO. Questi cicli sono catalizzati dallapresenza di carbonio, azoto e ossigeno, e quindi laloro efficienza dipende linearmente dalla metallicità solare.Se i flussi di neutrini associati ai cicli di CNO potesseroessere misurati, sarebbe possibile determinare l'abbondanzadi questi elementi nel nucleo solare.Finora tali misure si sono rivelate difficili per Borexino,a causa della radiazione di fondo prodotta daldecadimento radioattivo del bismuto 210 (che siforma dal decadimento dell'uranio-238, un isotopopresente in piccole quantità in tutta la materia delsistema solare). Per affrontare questo problema,sono state apportate modifiche al serbatoio checontiene lo scintillatore liquido.Il rilevamento dei neutrini CNO non soloconsentirebbe di determinare la metallicità del Sole,ma offrirebbe anche una prova diretta che i cicli CNOsi verificano in natura.Questo è importante, perché si ritiene che i cicliCNO siano il meccanismo principale attraverso ilquale le stelle più massicce del Sole generanoenergia.Un altro importante problema in astrofisica èl'esistenza proposta di meccanismi non standardper la produzione o la perdita di energia nelle stelle.Se un tale meccanismo esiste effettivamente, cisarà uno squilibrio tra il tasso di produzione solaredell'energia nucleare e la luminosità (la quantitàtotale di energia irradiata come fotoni dalla superficiedel Sole).La precisione con cui può essere misurata la potenzagenerata dalle reazioni nucleari nel Sole dovrebbeessere aumentata di dieci volte fino all'1 per centoper consentire una verifica di tale fisica delle particellenon standard.Tale precisione potrebbe essere fuori dalla portatadi Borexino, ma potrebbe essere garantita dai futuririvelatori di neutrini e di materia oscura su larga scala.Aldo Serenelli è ricercatore del Dipartimento diAstrofisica e Scienze planetarie, Istituto di Scienze dello spazio (CSIC) e Istituto di studi spazialidi Catalogna, Bellaterra (Spagna)L'originale di questo articolo è stato
pubblicato su "Nature" il 24 ottobre 2018. Traduzione ed editing a cura di Le Scienze. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati.