Borexino excluye a cinco sigmas que no existan los neutrinos solares del ciclo CNO

Por Francisco R. Villatoro, el 16 julio, 2020. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 2

El detector Borexino (Laboratorios Nacionales de Gran Sasso, Italia) estudia todos los tipos de neutrinos solares. Anunció la detección de los neutrinos 8B en 2010, de los 7Be en 2011, de los pep en 2012, de los pp en 2014 y, ahora, de los CNO en 2020. Lo ha hecho en el congreso Neutrino 2020; auguro que la primera detección directa a cinco sigmas de los neutrinos de la cadena CNO se publicará en Nature (como ya ocurrió con la de los neutrinos pp). Se han detectado 7.2+3.0−1.7  cpt per 100 t (sucesos por día por cada 100 toneladas del blanco) con una significación del 68% C.L., lo que implica un flujo de neutrinos en la Tierra de 7.0+3.0−2.0 × 108 cm−2 s−1, un resultado conforme a la predicción del modelo solar estándar.

Borexino es una esfera de nailon rellena de 278 toneladas de hidrocarburos líquidos y sumergida en agua. Los neutrinos de la cadena de reacciones CNO son muy difíciles de observar porque la cadena CNO da cuenta de menos del 1 % de la energía emitida por el Sol. Además, su espectro de energía se puede confundir con los neutrinos producidos por la desintegración radiactiva beta del bismuto 210 (originado por el plomo 210 que se encuentra en el nailon y que contamina la mezcla de hidrocarburos). Borexino toma datos desde 2007, pero ha intentado observar los neutrinos CNO desde 2016 (Borexino Phase-III). Para ello ha tenido que reducir la contaminación por bismuto 210 con un control preciso del gradiente de temperatura en la esfera de nailon. Los datos analizados se recabaron entre julio de 2016 y febrero de 2020, es decir, tras 1072 días de observación.

Los resultados confirman las predicciones teóricas del modelo solar y ofrecen la primera prueba directa de la cadena CNO. El artículo es The Borexino Collaboration, «First Direct Experimental Evidence of CNO neutrinos,» arXiv:2006.15115 [hep-ex] (26 Jun 2020). Más información divulgativa en Davide Castelvecchi, «Los neutrinos revelan el secreto final de la fusión nuclear en el Sol,» Investigación y Ciencia, 29 jun 2020, traducción de Davide Castelvecchi, «Neutrinos reveal final secret of Sun’s nuclear fusion,» Nature 583: 20-21 (24 Jun 2020), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-020-01908-2. En este blog recomiendo leer «Borexino observó neutrinos de la primera reacción pp en el núcleo del Sol,» LCMF, 27 dic 2014, entre otras piezas sobre Borexino.

El ciclo CNO ilustrado en esta figura produce tres tipos de neutrinos, en sendas desintegraciones beta: ν(13B), ν(15O) y ν(17F). Aunque contribuye a producir menos del 1 % de la energía emitida por el Sol, es el más relevante en estrella mucho más masivas. Debo destacar que el ciclo CNO depende mucho de la temperatura del núcleo solar. Así ofrece información relevante para la solución del llamado «problema de la metalicidad solar», decidir entre dos modelos solares alternativos que predicen una metalicidad del núcleo baja (SSM-LZ), comparable a la de la superficie solar, y una metalicidad mayor que ella (SSM-HZ). Hay indicios heliosismológicos recientes que apuntan al modelo SSM-HZ, es decir, que la superficie solar tiene menor metalicidad que el núcleo. Por desgracia, la estimación del flujo de neutrinos CNO de Borexino todavía no es suficientemente precisa para decidir entre ambos modelos de forma definitiva. Habrá que esperar a futuras observaciones.

Borexino está formado por una esfera de nailon de 4.25 metros de radio que contiene una mezcla de hidrocarburos líquidos. Esta esfera está rodeada de 2212 tubos fotomultiplicadores (PMTs) montados en otra esfera de acero inoxidable con un radio de 6.85 metros. Esta segunda esfera está rodeada por un gran tanque de agua que tiene la forma del detector que se observa desde fuera. Los neutrinos que atraviesan el detector interaccionan de forma elástica con los electrones de los hidrocarburos produciendo un destello de luz que detectan los PMTs. El número de fotoelectrones que observan la señal y sus instantes de detección permiten reconstruir la energía del neutrino y la posición aproximada del punto de interacción.

Los neutrinos del ciclo CNO tiene un espectro de energía muy ancho, entre 0 y 1740 keV (curva roja en esta figura). El ruido de fondo más relevante es debido a la contaminación por neutrinos originados en la desintegración beta del 210Bi (curva azul punteada en esta figura). El nailon contiene plomo que se desintegra mediante la cadena 210Pb (β, 22.3 años) → 210Bi (β, 5.01 días) → 210Po (α, 138.4 días) → 206Pb. El 210Pb no es una fuente de ruido porque la energía de los neutrinos que produce están en el rango de 0 a 63.5 keV, que está por debajo del umbral de detección de Borexino que está en 320 keV. Para diferenciar entre neutrinos CNO y neutrinos contaminantes 210Bi se tienen que estimar estos últimos; para ello se usa la desintegración alfa del 210Po.

La fase 3 de Borexino (Phase-III), que se inició en julio de 2016, fue precedida por una serie de modificaciones del entorno del detector con objeto de reducir la difusión del 210Bi desde el nailon de la esfera hasta el líquido del detector. Durante 2015 se procedió a añadir un aislamiento térmico y un sistema de control activo de la temperatura. Para reducir la convección en el fluido se introdujo un gradiente térmico de temperatura positivo; el fondo del detector está más frío aprovechando que está en contacto con la roca del suelo a 7.5 ºC, mientras que su parte superior está a una temperatura típica de 15.8 ºC. Esta figura (derecha) ilustra los sensores de temperatura que se han instalado para medir el gradiente térmico y garantizar la estabilidad térmica durante la toma de datos.

Para estimar la eficacia de estas medidas, se ha estimado el número de neutrinos debidos al 210Bi contaminante midiendo la desintegración alfa del 210Po. El ritmo de desintegración de 210Po se ha reducido claramente tras la aplicación de dichas medidas. La tasa mínima alcanzada es de R(210Pomin) = (11.5 ± 1.04) cpd per 100 t (cuentas por día por cada 100 toneladas). Así se estima una tasa de contaminación de R(210Bi) ≤ (11.5 ± 1.3) cpd per 100 t, lo que garantiza que se pueden observar los neutrinos CNO.

La figura que abre esta pieza muestra el espectro de neutrinos observado por Borexino entre 320 keV y 2640 keV, junto con la estimación de las fuentes que sumadas explican dicho espectro. Para los neutrinos CNO la región relevante está marcada con una banda amarilla (entre 780 keV y 885 keV). Contribuyen en esa región los neutrinos pep con un máximo de (2.74 ± 0.04) cpd per 100 t (curva verde a trazos en la figura que abre esta pieza), los neutrinos debidos a la contaminación por 210Bi con un máximo de (11.5 ± 1.3) cpd per 100 t, y los neutrinos CNO con un máximo de 7.2+3.0−1.7  cpd per 100 t (68% C.L.). Así se proclama la observación de los neutrinos CNO, en rigor, se excluye la ausencia de estos neutrinos (hipótesis nula) con 5.1 sigmas (al 99.0% C.L.).

En resumen, otro gran resultado del detector de neutrinos solares Borexino. El flujo de neutrinos CNO es compatible con el modelo solar estándar (SSM). Por desgracia, no permite discernir entre los modelos solares SSM-HZ y SSM-LZ, estando su pico más o menos entre los picos predichos por ambos modelos. Habrá que esperar a que futuros detectores logren afinar las medidas para resolver el «problema de la metalicidad solar». A pesar de ello, auguro que este artículo de Borexino acabará siendo publicado en la prestigiosa revista Nature.



2 Comentarios

  1. Un typo en el segundo párrafo, que luego está bien citado más adelante: la Fase III empieza a mediados de 2016, cuando la estabilización térmica es evidente en los datos de polonio-210.

    Sí es cierto que las primeras mejoras del detector con el objetivo de intentar rebajar las oscilaciones térmicas que mezclaban el centelleador y ofuscaban la determinación precisa de los fondos radiactivos comenzaron en 2014 (y fueron concebidos en detalle y financiados ya en 2013): en concreto la instalación del segmento interno )en el búfer externo del detector (ReB en la figura) y en el tanque de agua (ReW), insertados en los «tubos reentrantes» desde el exterior del detector, a los que se les dio un nuevo propósito tras su utilización durante las calibraciones externas con pequeñas fuentes de torio radiactivo en 2011) del sistema latitudinal de monitorización precisa de las temperaturas LTPS. Tuve el honor de ser uno de los directores de tal iniciativa, incluyendo su instalación física en Borexino, que luego dio lugar al análisis y simulación del ambiente fluidodinámico del detector en colaboración interdisciplinar con ingenieros nucleares -junto con la interpretación en cuanto a implicaciones en la dinámica del polonio y bismuto- en mi tesis doctoral.

    Otro detallito es que la curva roja de las cuartas figuras no representa el espectro de los neutrinos CNO (cuyo espectro continuo sí está señalado en la segunda figura del artículo), sino de su señal (es decir, emborronada por dispersión Compton) según la emisión del centelleador de Borexino. Para el propósito de este estudio no se consideraron las capturas electrónicas monoenergéticas de alta energía en 13N, 15O y 17F, despreciables para el nivel de fondos y precisión conseguidos.

    Éste ha sido realmente un esfuerzo epocal, como gustan decir los americanos 🙂 Unos 7 años que transformaron la fisionomía y aspecto del detector, ahora más parecido a un astronauta con sistemas de circulación de agua y sensores por todas partes que a la «reina de acero» de paneles amarronados y vigas rojas de antes, mucha necromancia de posos de té intentando interpretar los datos del LTPS y el efecto del sistema de aislamiento térmico (TIS) y control activo de la temperatura (ACTS), los resultados de la fluidodinámica basados en ellos, y la fiabilidad que podríamos otorgarles en cuanto a herramienta diagnóstica/predictiva para los fondos de 210Po/Bi. Por supuesto, capítulo aparte merecen el lustro de análisis estadísticos exhaustivos para demostrar que no se estuvieran viendo fantasmas en los datos, y estar completamente seguros de ver los CNO, de los que se ocuparon otros colegas muchísimo más dedicados y brillantes.

    Con todo, gracias por reflejar este resultado en el blog – esperemos poder mostrar públicamente todos los detalles en Nature en poco tiempo. Por supuesto, si a alguien le interesan más detalles sobre algún aspecto, estaría encantado de explayarme más 🙂

Deja un comentario