SCIENZA E RICERCA

Dai neutrini nuovi dati sulla fusione nucleare del Sole

"Borexino ha svelato i processi che alimentano il sole". Con queste parole Gioacchino Ranucci, co-coordinatore degli esperimenti Borexino e DarkSide al Laboratorio Nazionale del Gran Sasso, ha annunciato i risultati della ricerca sui neutrini, che derivano dalle reazioni di fusione nucleare del sole.

Ne abbiamo parlato con Leopoldo Benacchio, professore ordinario presso l'Osservatorio Astronomico di Padova: "I risultati confermano le previsioni teoriche formulate decenni fa, secondo le quali l'energia del sole sarebbe in parte prodotta da una catena di reazioni che coinvolgono i nuclei di carbonio e azoto". In particolare, si tratta di un processo che a partire dalla fusione di quattro protoni forma un nucleo di elio, che a sua volta rilascia due neutrini - particelle elementari prive di carica elettrica e con una massa estremamente piccola - assieme ad altre particelle subatomiche e a grandi quantità di energia. Va sottolineato che la reazione carbonio-azoto non spiega interamente i processi di fusione del sole: si ritiene infatti che questa reazione sia responsabile dell'1% dell'energia della nostra stella, e che costituisca invece la reazione dominante nelle stelle più grandi. E continua, "sono stati proprio i neutrini la chiave della comprensione dei processi di fusione nucleare che alimentano il sole".

Ma procediamo con ordine e vediamo in cosa consiste l'esperimento.

Cos'è Borexino

Si tratta di un rilevatore attivo dal 2007, costruito per osservare e misurare i neutrini, ovvero le particelle generate durante i processi di fusione del nucleo solare, per poter comprendere le dinamiche delle reazioni che avvengono nel nucleo della nostra stella.

Ideato dagli scienziati dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Borexino si trova nei laboratori Nazionali del Gran Sasso, in Abruzzo, sotto 1400 metri di roccia, che servono a schermare il rilevatore da tutte le altre particelle provenienti dallo spazio. Lo strumento è composto da una sfera di nylon di 13,7 metri di diametro immersa in 2400 tonnellate di acqua ultra-pura. Essa è riempita da idrocarburi e contiene al suo interno un'ulteriore sfera di 8,5 metri di diametro, riempita di liquido scintillatore. Questo liquido è costituito da una particolare sostanza che emette luce quando entra in contatto con una particella carica, nel nostro caso i neutrini che rimbalzano sugli elettroni degli idrocarburi. Dei sensori di fotoni permettono infine di rilevare la presenza dei neutrini.

L'esperimento

Uno dei problemi principali nel rilevamento dei neutrini era costituito dalla presenza del bismuto-210, un isotopo che a causa del proprio decadimento radioattivo fuoriusciva dal nylon e si inseriva nella miscela di idrocarburi. Nonostante si trattasse di una contaminazione estremamente bassa, che contava il decadimento di poche decine di nuclei di bismuto al giorno, dal 2014 lo sforzo degli scienziati si è concentrato nel rallentare la velocità con cui l'elemento filtrava nella miscela, attraverso il mantenimento di una temperatura costante nel serbatoio. Uno squilibrio nella temperatura avrebbe infatti prodotto moti convettivi che avrebbero comportato un più rapido miscelamento del fluido. Per uniformare la temperatura degli idrocarburi e mantenerla costante nel tempo, gli scienziati hanno avvolto il serbatoio in un materiale isolante e hanno installato scambiatori di calore che bilanciassero la temperatura in modo automatico. Nel 2019, infine, il rumore causato dalla presenza del bismuto nella miscela è risultato sufficientemente silenzioso da consentire il rilevamento dei neutrini.

I risultati della ricerca sono stati riportati per la prima volta nella conferenza "Neutrino 2020", che si è svolta il 23 giugno scorso, e sono attualmente in attesa della peer review che ne decreterà l'approvazione o meno da parte della comunità scientifica.

Come sottolinea Benacchio "Oltre alla conferma delle previsioni teoriche sulle reazioni che alimentano il sole, lo studio sui neutrini risulta fondamentale per una maggiore comprensione della struttura del nucleo di questa stella".

Nonostante le quantità di neutrini rilevati da Borexino sembrino essere coerenti con i modelli standard, che stabiliscono una metallicità del nucleo - ovvero la presenza di elementi diversi da idrogeno ed elio - simile a quella della superficie, dalla comunità scientifica emergono pareri discordanti. Studi recenti ritengono che il nucleo presenti una metallicità inferiore a quella degli strati più esterni e che di conseguenza la sua temperatura sia più bassa di quanto si fosse stimato in precedenza.

Un'ulteriore ipotesi arriva da Aldo Serenelli, astrofisico dell'Institute of Space Sciences a Barcellona. Egli suggerisce, assieme ad altri astrofisici, che il nucleo abbia una metallizzazione più elevata rispetto agli strati esterni, e che la sua composizione potrebbe rivelare più informazioni sulle prime fasi del sole, prima che la formazione dei pianeti rimuovesse parte dei metalli che si stavano accumulando sulla giovane stella.

Borexino è attualmente ancora attivo nell'acquisizione di dati, ma la sua missione sembra ormai volgere al termine: i risultati ottenuti grazie a questo strumento negli ultimi tredici anni costituiscono una pietra miliare nella comprensione dei processi di fusione del nucleo solare e, citando Marco Pallavicini, fisico dell'Università di Genova e co-portavoce dell'esperimento, nelle dichiarazioni rilasciate a Nature, quello di Borexino è davvero "un finale col botto".

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