Borexino: uno sguardo all'interno delle stelle grazie ai neutrini

La rivelazione delle sfuggenti particelle permette di confermare l'esistenza della reazione protone-protone nel nucleo delle stelle meno massicce

Se i neutrini ad altissima energia prodotti artificialmente negli acceleratori di particelle del CERN di Ginevra hanno guadagnato le prime pagine dei giornali e delle testate online per il presunto superamento della velocità della luce, è ora la volta di quelli naturali, che provengono dallo spazio.

Grazie all’esperimento Borexino, frutto di una collaborazione internazionale e situato presso i Laboratori nazionali del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), i neutrini hanno permesso di ottenere per la prima volta una prova sperimentale della correttezza degli attuali modelli di produzione dell’energia all’interno delle stelle. Questi ultimi sarebbero principalmente di due tipi: il primo, che vale per le stelle fino a 1,5 masse solari, è la cosiddetta reazione pp, in cui due protoni si fondono per dare vita a un nucleo di deuterio (costituito da un protone e un neutrone); la seconda, denominata CNO, è invece una reazione più complessa che coinvolge carbonio, azoto e ossigeno.

Solo nelle stelle meno massicce, infatti, la reazione pp è sufficiente a produrre un’agitazione termica nei nuclei stellari tale da controbilanciare l’attrazione gravitazionale, che tende a far implodere la stella stessa, mentre in quelle più massicce solo la reazione CNO è in grado di determinare tale equilibrio. La differenza in termini di temperatura e di 10 milioni contro 18 milioni di gradi, rispettivamente.

Come entrano i neutrini in questo contesto? Il fatto è che entrambe le reazioni hanno come prodotti secondari neutrini di bassa energia, ovvero quelli ancora più difficili da rivelare di quelli ad alta energia.

“Le reazioni di fusione che hanno luogo nel Sole sono diverse: quella più probabile è quella protone-protone (pp), poi c'è quella protone-elettrone-protone (pep), poi ce n'è una che coinvolge il berillio-7, una il boro e infine c'è un ciclo CNO: ognuna di queste porta all'emissione di neutrini elettronici”, ha spiegato a "Le Scienze" Gianpaolo Bellini, della sezione di Milano dell'INFN e coordinatore della collaborazione Borexino. “Alcune di queste e in particolare il pep e quella del berillio emettono neutrini di una sola energia, gli altri hanno invece hanno una certa distribuzione di energia, prevista dal modello solare”.

“Ora, il problema è che l' energia di questi neutrini è molto bassa: tranne il boro 8 che è al di sopra di 5 MeV tutte le altre sono solo di 1-2 MeV, che sono valori molto bassi”, ha aggiunto Bellini. “Prima di questo esperimento, frutto di 5 anni di ricerca e sviluppo, gli altri esperimenti sui neutrini non sono riusciti ad andare sotto i 4,5-5 MeV”.

L'impresa è riuscita grazie all'estrema sensibilità dell'esperimento di Borexino, e alle eccezionali condizioni naturali presenti sotto il Gran Sasso. I 1400 metri di roccia che sovrastano i laboratori consentono un isolamento ottimale dai raggi cosmici, mentre il resto lo fanno le caratteristiche intrinseche del rivelatore.

“Com'è noto, il neutrino interagisce molto poco con la materia: sulla Terra arrivano 60 miliardi di neutrini per centimetro quadrato al secondo e noi ne vediamo 46-47 al giorno: se non si schermano i raggi cosmici andando sotto terra e non si abbatte la radioattività naturale di molto che vengono mascherate dalle altre interazioni”, ha proseguito Bellini. “Inoltre, tutti i materiali sono radioattivi quindi abbiamo dovuto adottare nuove tencologie per poter abbassare la radioattività naturale, sia ambientale, schermandola, sia del materiale con cui abbiamo costruito il rivelatore, a livello tale da vedere neutrini solari a livelli molto bassi, fino alla soglia dei 200 KeV”.

L'apparato sperimentale di Borexino è costruito come una "matrioska" di materiali che isolano i 2200 fotomoltiplicatori che costituiscono i rivelatori veri e propri, dalla radioattività naturale e dai pochissimi raggi cosmici residui: dall'esterno verso l'interno, l'apparato è costituito da una cupola di 16 metri di diametro, all'interno della quale sono poste 2200 tonnellate di acqua purissima; ancora più internamente è posto uno strato di pseudocumene (un idrocarburo). Il cuore del rivelatore è la parte più interna costituita da 300 tonnellate di liquido scintillante. I lampi di luce osservati con borexino provano quindi il transito di neutrini, e i parametri misurati per questi eventi costituiscono una prova sperimentale dell'esistenza della reazione pp e di porre limiti molto stringenti all'esistenza della reazione CNO.

“Negli esperimenti, noi non vediamo direttamente il neutrino, bensì lo scattering tra neutrino ed elettrone, e dall'energia di rinculo di quest'ultimo possiamo risalire all'energia del neutrino”, ha sottolineato Bellini. “Esperimenti precedenti avevano osservato solo la reazione che coinvolge il boro, che ha lì energia più alta, arriva infatti a 16 MeV, e ha una probabilità molto più bassa: rappresenta infatti un decimillesimo dello spettro solare”.

“Nel Sole, la reazione di gran lunga dominante è pp: noi non abbiamo osservato direttamente questa, che è a energie ancora più basse di 200 KeV, ma il suo unico 'figlio' che è la reazione pep”, ha concluso Bellini. “Per quanto riguarda la reazione CNO, essa è un ciclo dominante nelle stelle massicce e nel Sole ha un'incidenza di qualche per cento; non l'abbiamo mai osservata nelle stelle massicce ma solo nel Sole, quindi si può ottenere solo un limite, anche se stringente”.

Articoli tratti dall'edizione italiana di scientific american