Cuando el sol calienta tu rostro, dispara algo más que rayos de sol hacia tu piel. Los neutrinos, partículas fantasmales con solo un rastro de masa, vienen en el viaje. Muchos billones de ellos entran en su cuerpo cada segundo y continúan hasta el suelo, zumbando a través del planeta a casi la velocidad de la luz.
Los científicos han pasado años escudriñando este aluvión de neutrinos, tratando de comprender con precisión cómo los produce y lanza el sol. Si bien el 99 por ciento de la energía del sol proviene de un tipo de fusión, durante mucho tiempo se pensó que el uno por ciento restante provenía de una segunda reacción más complicada. Y después de décadas de hechicería experimental, los físicos han detectado los neutrinos provenientes de esta reacción más rara por primera vez.
“Esto representa una pistola humeante”, dice Marc Pinsonneault, astrónomo de la Universidad Estatal de Ohio que no participó. Es “una confirmación realmente hermosa de una predicción teórica muy profunda”.
En esos modestos puñados de neutrinos, los investigadores esperan finalmente discernir la respuesta a una de las preguntas más candentes de la astronomía: ¿qué ingredientes componen el sol y, por extensión, todas las demás estrellas del universo?
Los investigadores saben que el sol tiene al menos un 98 por ciento de hidrógeno y helio, los dos elementos más ligeros y abundantes de la naturaleza. Pero el debate se intensifica sobre la composición de ese dos por ciento final. Los astrónomos suelen averiguar de qué están hechos los objetos analizando qué colores de luz emiten (o no emiten), pero cuando se trata de algunos de los ingredientes más pesados del sol, como el carbono, el nitrógeno y el oxígeno, sus huellas digitales simplemente no lo hacen. t brille claramente.
“El problema no son los datos”, dice Pinsonneault. “Es un accidente de la tabla periódica”.
Cuando las observaciones se quedaron cortas, los investigadores recurrieron a las teorías. Los primeros modelos predijeron que el sol debería tener un 1,8 por ciento de átomos voluminosos como el carbono, el nitrógeno y el oxígeno. Pero luego, en la década de 2000, teorías más sofisticadas
La diferencia de medio por ciento puede no parecer mucho, pero tiene consecuencias cósmicas. Dado que el sol es la estrella más conocida, los astrónomos lo utilizan casi como una unidad de medida. Otra estrella de apariencia similar, asumen, debería tener una composición similar. Y cuando se multiplica por todas las estrellas del universo, el medio por ciento se suma rápidamente. Si la estimación más baja es correcta, por ejemplo, eso reduciría la estimación de los investigadores sobre la cantidad de oxígeno en todo el cosmos en un 40 por ciento.
“Cuando cambias el sol, cambias cuánto [heavy stuff] creemos que hay en todas partes ”, dice Pinsonneault.
Una forma de controlar realmente lo que sucede dentro del sol es estudiar los innumerables neutrinos que estalla a través de la Tierra cada segundo. En nuestra estrella, la gran mayoría proviene de la fusión directa de protones. Pero los físicos nucleares predijeron a fines de la década de 1930 que algunos debían originarse a partir de una reacción complicada en la que precisamente los elementos pesados en cuestión (carbono, nitrógeno y oxígeno) ayudan a guiar a los protones juntos.
La búsqueda de los llamados “neutrinos CNO” comenzó en 1988. Todas las reacciones nucleares rocían neutrinos, por lo que si está buscando los pocos que provienen de una reacción nuclear rara a millones de millas de distancia, primero debe preparar un entorno nuclear. Los miembros de la colaboración Borexino en Italia comenzaron desarrollando la tecnología para purgar los materiales con los que construirían su detector de ingredientes radiactivos contaminantes. El esfuerzo tomó 19 años.
“Es probablemente el medio ambiente más puro en términos de radiactividad en la Tierra”, dice Gioacchino Ranucci, miembro de Borexino.
Incluso entonces, la detección no fue fácil. Los investigadores construyeron Borexino en lo profundo de una montaña, lejos de los rayos cósmicos, en el laboratorio nacional de Italia en Gran Sasso. Un brebaje químico de trescientas toneladas forma el núcleo del detector, que parpadea en las raras ocasiones en que un neutrino interactúa con el líquido. Otras 1.000 toneladas de la misma mezcla envuelven el núcleo del detector, y 2.300 toneladas de agua rodean todo el aparato, protegiéndolo de los rayos gamma y neutrones escupidos por las rocas de la montaña Gran Sasso.
El experimento se inició en 2007 y detectó neutrinos del principal tipo de fusión del sol casi de inmediato. Durante los siguientes años, los investigadores probaron todos los aspectos de la fusión protón-protón estándar. Los neutrinos CNO, sin embargo, permanecieron fuera de su alcance.
En 2015, renovaron el detector para mantener el líquido en el núcleo completamente quieto y, finalmente, sus esfuerzos dieron sus frutos. En junio, la colaboración internacional de unos 100 investigadores anunció que después de eliminar todas las demás fuentes posibles, por fin estaban detectando neutrinos CNO. Cada día, las 100 toneladas de líquido central parpadean unas 20 veces en promedio. Diez provienen de la desintegración radiactiva en los materiales del detector, y en este rango de energía particular, aproximadamente tres provienen de la reacción de fusión principal del sol. Los siete destellos restantes, dice Ranucci, marcan la llegada de neutrinos lanzados por los raros casos solares de fusión asistida por CNO. El equipo publicó sus resultados hoy en Naturaleza.
“Este es un hermoso, hermoso experimento” Dice Pinsonneault.
En conjunto, esos siete destellos diarios dan el más mínimo indicio de que el sol, y por lo tanto el universo, podría tener más carbono, nitrógeno y oxígeno en lugar de menos. Pero incluso después de décadas de trabajo duro y una medición del tour de force, la evidencia no es concluyente. “Tenemos preferencia por la alta [abundances of heavy elements]”, Dice Ranucci, pero” podría ser una casualidad “.
El experimento Borexino continuará buscando destellos de neutrinos CNO durante unos meses más, después de lo cual terminará la vida útil del detector. Ranucci espera publicar un artículo más sobre neutrinos CNO con un año y medio adicional de datos, lo que puede ofrecer una respuesta algo más firme.
Independientemente de cuánto pueda exprimir la colaboración de Borexino en los últimos días de la máquina, Pinsonneault dice que los físicos solares están trabajando en experimentos adicionales que podrían llegar al contenido del sol de otras maneras. Y, en su defecto, están en camino cubas de líquido aún más grandes. Ninguno está tomando datos todavía, pero después de décadas de observar el desarrollo de Borexino, los físicos solares están acostumbrados a ser pacientes.
“No cierra la puerta a una u otra rama de la solución, dice Pinsonnault,“ pero sí señala el camino hacia las generaciones futuras que pueden ser más decisivas ”.