Um instrumento hipersensível, fundo subterrâneo na Itália, finalmente conseguiu a tarefa quase impossível de detectar neutrinos CNO (partículas minúsculas apontando para a presença de carbono, nitrogênio e oxigênio) do núcleo do nosso sol. Essas partículas pouco conhecidas revelam o último detalhe que falta no ciclo de fusão que alimenta nosso Sol e outras estrelas.

Em resultados publicados em 26 de novembro na revista Natureza (e apresentado na capa), investigadores da colaboração Borexino relatam as primeiras detecções deste tipo raro de neutrinos, chamados de "partículas fantasmas" porque passam pela maior parte da matéria sem deixar vestígios.

Os neutrinos foram detectados pelo detector Borexino, um enorme experimento underground na Itália central. O projeto multinacional é apoiado nos Estados Unidos pela National Science Foundation sob uma doação compartilhada supervisionada por Frank Calaprice, professor emérito de física em Princeton; Andrea Pocar, aluna graduada de Princeton em 2003 e professor de física na University of Massachusetts-Amherst; e Bruce Vogelaar, professor de física no Virginia Polytechnical Institute e na State University (Virginia Tech).

A detecção de "partículas fantasmas" confirma as previsões da década de 1930 de que parte da energia do nosso sol é gerada por uma cadeia de reações envolvendo carbono, nitrogênio e oxigênio (CNO). Esta reação produz menos de 1% da energia do sol, mas acredita-se que seja a principal fonte de energia em estrelas maiores. Esse processo libera dois neutrinos - as partículas elementares de matéria mais leves conhecidas - bem como outras partículas subatômicas e energia. O processo mais abundante de fusão hidrogênio-hélio também libera neutrinos, mas suas assinaturas espectrais são diferentes, permitindo aos cientistas distingui-los.

"Confirmação de CNO queimando em nosso sol, onde opera em apenas um nível de 1%, reforça nossa confiança de que entendemos como as estrelas funcionam, "disse Calaprice, um dos criadores e principais investigadores da Borexino.

Neutrinos CNO:janelas para o sol

Por grande parte de sua vida, estrelas obtêm energia fundindo hidrogênio em hélio. Em estrelas como o nosso sol, isso acontece predominantemente por meio de cadeias próton-próton. Contudo, em estrelas mais pesadas e mais quentes, carbono e nitrogênio catalisam a queima de hidrogênio e liberam neutrinos CNO. Encontrar qualquer neutrino nos ajuda a perscrutar o funcionamento nas profundezas do interior do Sol; quando o detector Borexino descobriu neutrinos próton-próton, as notícias iluminaram o mundo científico.

Mas os neutrinos CNO não apenas confirmam que o processo CNO está funcionando dentro do sol, eles também podem ajudar a resolver uma importante questão em aberto na física estelar:quanto do interior do sol é feito de "metais, "que os astrofísicos definem como quaisquer elementos mais pesados ​​que o hidrogênio ou o hélio, e se a "metalicidade" do núcleo corresponde à da superfície do sol ou das camadas externas.

Infelizmente, neutrinos são extremamente difíceis de medir. Mais de 400 bilhões deles atingem cada centímetro quadrado da superfície da Terra a cada segundo, ainda assim, praticamente todas essas "partículas fantasmas" passam por todo o planeta sem interagir com nada, forçando os cientistas a utilizar instrumentos muito grandes e protegidos com muito cuidado para detectá-los.

O detector Borexino fica a 800 metros abaixo dos Apeninos, no centro da Itália, no Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) do Instituto Nacional de Física Nuclear da Itália, onde um balão gigante de náilon - cerca de 30 pés de diâmetro - cheio de 300 toneladas de hidrocarbonetos líquidos ultra-puros é mantido em uma câmara esférica multicamadas que é imersa em água. Uma minúscula fração dos neutrinos que passam pelo planeta refletirá os elétrons nesses hidrocarbonetos, produzindo flashes de luz que podem ser detectados por sensores de fótons que revestem o tanque de água. A grande profundidade, o tamanho e a pureza tornam o Borexino um detector verdadeiramente único para este tipo de ciência.

O projeto Borexino foi iniciado no início dos anos 1990 por um grupo de físicos liderados por Calaprice, Gianpaolo Bellini da Universidade de Milão, e o falecido Raju Raghavan (então na Bell Labs). Nos últimos 30 anos, pesquisadores de todo o mundo contribuíram para encontrar a cadeia próton-próton dos neutrinos e, cerca de cinco anos atrás, a equipe iniciou a caça aos neutrinos CNO.

Suprimindo o fundo

"Os últimos 30 anos trataram da supressão do fundo radioativo, "Calaprice disse.

A maioria dos neutrinos detectados pelo Borexino são neutrinos próton-próton, mas alguns são reconhecidamente neutrinos CNO. Infelizmente, Os neutrinos CNO se assemelham a partículas produzidas pelo decaimento radioativo do polônio-210, um isótopo vazando do gigantesco balão de náilon. Separar os neutrinos do sol da contaminação de polônio exigiu um esforço meticuloso, liderado por cientistas de Princeton, que começou em 2014. Como não foi possível evitar que a radiação vazasse do balão, os cientistas encontraram outra solução:ignorar os sinais da borda externa contaminada da esfera e proteger o interior profundo do balão. Isso exigia que reduzissem drasticamente a taxa de movimento do fluido dentro do balão. A maior parte do fluxo de fluido é impulsionada por diferenças de calor, então a equipe dos EUA trabalhou para alcançar um perfil de temperatura muito estável para o tanque e hidrocarbonetos, para tornar o fluido o mais imóvel possível. A temperatura foi mapeada com precisão por uma série de sondas de temperatura instaladas pelo grupo Virginia Tech, liderado por Vogelaar.

"Se este movimento pudesse ser reduzido o suficiente, poderíamos então observar os esperados cinco ou mais recuos de baixa energia por dia que são devido aos neutrinos CNO, "Calaprice disse." Para referência, um pé cúbico de "ar fresco" - que é mil vezes menos denso que o fluido de hidrocarboneto - experimenta cerca de 100, 000 decaimentos radioativos por dia, principalmente do gás radônio. "

Para garantir a quietude dentro do fluido, Cientistas e engenheiros da Princeton e da Virginia Tech desenvolveram hardware para isolar o detector - essencialmente um cobertor gigante para envolvê-lo - em 2014 e 2015, em seguida, eles adicionaram três circuitos de aquecimento que mantêm uma temperatura perfeitamente estável. Aqueles conseguiram controlar a temperatura do detector, mas as mudanças sazonais de temperatura no Hall C, onde Borexino está localizado, ainda fazia com que pequenas correntes de fluido persistissem, obscurecendo o sinal CNO.

Então, dois engenheiros de Princeton, Antonio Di Ludovico e Lidio Pietrofaccia, trabalhou com o engenheiro da equipe do LNGS, Graziano Panella, para criar um sistema especial de tratamento de ar que mantém a temperatura do ar estável no Hall C. O Sistema de Controle Ativo de Temperatura (ATCS), desenvolvido no final de 2019, finalmente produziu estabilidade térmica suficiente fora e dentro do balão para acalmar as correntes dentro do detector, finalmente, evitando que os isótopos contaminantes sejam carregados das paredes do balão para o núcleo do detector.

O esforço valeu a pena.

"A eliminação deste fundo radioativo criou uma região de baixo fundo de Borexino que tornou possível a medição de neutrinos CNO, "Calaprice disse.

"Os dados estão cada vez melhores"

Antes da descoberta do neutrino CNO, o laboratório planejou encerrar as operações do Borexino no final de 2020. Agora, parece que a coleta de dados pode se estender até 2021.

O volume de hidrocarbonetos ainda no coração do detector Borexino continuou a crescer em tamanho desde fevereiro de 2020, quando os dados para o Natureza papel foi coletado. Isso significa que, além de revelar os neutrinos da CNO que são o assunto desta semana Natureza artigo, agora existe um potencial para ajudar a resolver o problema de "metalicidade" também - a questão de se o núcleo, as camadas externas e a superfície do sol têm a mesma concentração de elementos mais pesados ​​do que o hélio ou o hidrogênio.

"Continuamos coletando dados, como a pureza central continuou a melhorar, tornando um novo resultado focado na metalicidade uma possibilidade real, "Calaprice disse." Não apenas ainda estamos coletando dados, mas os dados estão cada vez melhores. "