En el corazón de las estrellas tienen lugar dos procesos que transforman el hidrógeno en helio y liberan la energía que hace que brillen y que, en el caso del Sol, posibilita la vida en la Tierra. Ambos procesos producen una partícula hasta ahora fantasmal conocida como neutrino, que los científicos no habían sido capaces de detectar en el infierno de la fusión estelar.
Usando un detector de partículas de alta sensibilidad en Italia, un equipo de científicos ha logrado detectar neutrinos producidos durante el ciclo de fusión secundario del Sol, según una investigación publicada el miércoles en la revista Nature. Este descumbrimiento histórico ofrece una visión sin precedentes de los elementos que forman el núcleo del Sol.
El hidrógeno es el elemento químico más abundante en el universo y tanto el Sol como el resto de estrellas nacen cuando comienzan a fusionar hidrógeno para producir helio, que se va concentrando en el centro de las estrellas. Este proceso, que el Sol lleva haciendo 4,500 millones de años, se repite durante buena parte de sus vidas.
Para llevarlo a cabo, en las estrellas se dan dos reacciones nucleares de fusión distintas, una llamada la cadena de protón-protón (pp), que transforma directamente isótopos de hidrógeno en otros de helio, y otra denominada el ciclo CNO, en el que la fusión se cataliza por el carbono, el nitrógeno y el oxígeno.
La primera domina la producción de energía en estrellas de tamaño similar al Sol, produciendo alrededor del 99%, y ha sido estudiada extensamente. La segunda, el ciclo CNO (carbono, nitrógeno y oxígeno), se cree que tiene un mayor peso en la producción de energía en las estrellas más masivas, a partir de 1.3 veces la masa del Sol.
Sin embargo, el estudio del ciclo CNO ha sido un desafío para la física, debido a que los neutrinos generados en abundancia en este proceso de fusión son muy difíciles de detectar. Y es que estas partículas solares solo pueden observarse con detectores de alta sensibilidad, que pueden excluir la mayoría del ruido de fondo.
En este trabajo se presenta la primera detección de neutrinos producidos en el Sol por el ciclo CNO o lo que es lo mismo, la primera evidencia experimental directa conocida de este mecanismo.
[Científicos descubren la causa de misteriosos sismos y zumbidos submarinos]
Los responsables de este descubrimiento son un grupo de investigadores, entre ellos el español David Bravo, reunidos en el proyecto Borexino, un experimento de los Laboratorios Nacionales Gran Sasso del Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia (INFN).
Los resultados fueron presentados en junio en el Congreso Neutrino 2020 de Chicago y este miércoles fueron publicados por la revista científica Nature.
Según sus responsables, de trata de "un hallazgo experimental de valor histórico", que completa un capítulo de la física que comenzó en la década de 1930, cuando Hans Bethe y Carl Friedrich von Weizsacker propusieron de forma independiente que la fusión de hidrógeno en las estrellas también podría ser catalizada por los núcleos pesados de CNO.
[Este auto se transforma en un avión en menos de tres minutos. Ya es realidad]
Sus implicaciones para la comprensión de los mecanismos estelares "son enormes", aseguran sus responsables en una nota del INFN: dado que el ciclo CNO es predominante en las estrellas más masivas que el Sol, con esta observación Borexino ha alcanzado la evidencia experimental de lo que es de hecho el canal dominante en el universo para la fusión de hidrógeno.
Borexino ya había estudiado en detalle el principal mecanismo de producción de energía del Sol, la cadena protón-protón, a través de la detección de los flujos de neutrinos principales provenientes de esta cadena de reacciones. Con la medición de estas partículas en el ciclo CNO, se proporciona la primera evidencia experimental de la existencia de este mecanismo adicional de generación de energía en el universo.
"Ahora tenemos finalmente la primera confirmación innovadora y experimental de cómo brillan las estrellas más masivas que el Sol", resume Gianpaolo Bellini, del INFN y de la Universidad de Milán.
[Virgin Hyperloop realiza primer viaje con pasajeros reales]
Se trata, agrega el científico, de la culminación de un esfuerzo de 30 años y de más de 10 años de descubrimientos de Borexino en la física del Sol, los neutrinos y finalmente las estrellas. El hallazgo está siendo aclamado como uno de los mayores descubrimientos en física del nuevo milenio.
"Borexino ha conseguido ver todos los mecanismos principales a través de las cuales se teorizó que el Sol fusiona dos protones para dar lugar a helio y, por tanto, a energía", resume a la agencia de noticias Efe por su parte David Bravo, quien recuerda que gracias al estudio del Sol podemos saber lo que pasa en otras estrellas, pero no solo, también sobre la formación de planetas o sobre los elementos que dan lugar a la vida (oxígeno, carbono).
Además, agrega, una de las grandes preguntas que aún queda en suspenso, pero cuya respuesta se acerca gracias a resultados como estos, es la metalicidad del Sol, es decir, qué elementos más pesados que el helio, como el carbono, nitrógeno y oxígeno, contiene.
"Más o menos este dato se conoce a través de observaciones diferentes, pero no con precisión, lo que tendría implicaciones muy amplias sobre cómo entendemos muchos mecanismos estelares. Los neutrinos son los únicos que pueden dirimir esta cuestión y por eso esta detección es un penúltimo paso crucial", concluye Bravo.
"Es realmente un gran avance para la física solar y estelar", apuntó a NBC News Gioacchino Ranucci, científico del Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear (INFN) y uno de los investigadores del proyecto, que arrancó en 1990.
¿Qué son los neutrinos?
Los neutrinos son una partícula elemental subatómica que no tiene carga, es decir, que es neutra. "Es muy raro que interaccionen con la materia y por eso son tan complicadas de encontrar ya que atraviesan la materia igual que la luz atraviesa un cristal", explica Pilar Sancho, doctora en Ciencias Físicas y profesora de investigación del Consejo Superior de Investigaciones Científicas español, en un artículo en el diario El País.
"Y como tienen esa masa tan pequeña, de hecho al principio se creía que no tenían masa, se mueven a velocidades cercanas a la de la luz. Los neutrinos surgen en procesos nucleares: en el Big Bang, en los núcleos de las estrellas y también en los aceleradores de partícula", añade.
Los científicos utilizaron el detector Borexino ultrasensible en el laboratorio de física de partículas Gran Sasso de la INFN en el centro de Italia, el centro de investigación subterráneo más grande del mundo, en las profundidades de los Apeninos, a unas 65 millas (104 kilómetros) al noreste de Roma.
El detector gigante de Borexino busca neutrinos emitidos durante la fusión nuclear en el núcleo del Sol. Los neutrinos apenas interactúan con nada, por lo que son ideales para estudiar reacciones nucleares distantes, pero también son extremadamente difíciles de detectar.
Trillones de neutrinos del sol pasan a través del detector Borexino cada segundo, pero solo detecta docenas de ellos cada día al buscar débiles destellos de luz a medida que decaen en su oscuro tanque de agua de 300 toneladas.
Ranucci explicó que el detector Borexino ha pasado décadas midiendo neutrinos de la principal reacción en cadena protón-protón del sol, pero detectar sus neutrinos CNO ha sido muy difícil: solo se detectan unos siete neutrinos con la energía reveladora del ciclo CNO en un día.
El descubrimiento requirió hacer que el detector sea cada vez más sensible durante los últimos cinco años protegiéndolo de fuentes externas de radiactividad para que la cámara interna del detector sea el lugar más libre de radiación de la Tierra.
El resultado es el único signo directo de fusión de CNO jamás visto en cualquier lugar: "Esta es la primera evidencia de que el ciclo de CNO está funcionando en el sol y las estrellas", señaló Ranucci.
Gabriel Orebi Gann, física de partículas de la Universidad de Berkeley, California, calificó el descubrimiento como "un hito importante". "Nos acerca un paso más a comprender la composición del núcleo de nuestro sol y la formación de estrellas pesadas", aseguró.
Orebi Gann señaló que una asimetría entre los neutrinos y sus antipartículas también podría explicar la aparente escasez de antimateria en nuestro universo y su dominio de la materia norma. O en otras palabras, por qué hay algo aquí, en lugar de absolutamente nada.