Ο ανιχνευτής Borexino συλλαμβάνει νετρίνα από τον κύκλο CNO του Ήλιου

Για το μεγαλύτερο μέρος της ζωής τους, τα άστρα τροφοδοτούνται από την σύντηξη υδρογόνου σε ήλιο. Η σύντηξη προχωράει μέσω δυο ξεχωριστών διαδικασιών. Μια, γνωστή ως αλυσίδα πρωτονίου-πρωτονίου (p-p), αρχίζει με τη σύντηξη δυο πρωτονίων στο ηλιακό πλάσμα για να διαμορφώσουν δευτέριο ως ένα ενδιάμεσο και είναι η πηγή του 99% της ενέργειας του Ήλιου. Η άλλη, γνωστή ως κύκλος CNO [Carbon–Nitrogen–Oxygen που μερικές φορές αποκαλείται κύκλος Bethe–Weizsäcker], περιλαμβάνει ένα σύνολο αντιδράσεων στις οποίες τέσσερεις πυρήνες τελικώς συνδυάζονται για να σχηματίσουν He-4 με άνθρακα, άζωτο και οξυγόνο ως καταλύτες και ενδιάμεσα προϊόντα. Η σχετική σημαντικότητα των δυο μηχανισμών εξαρτάται κυρίως από τη αστρική μάζα και τη μεταλλικότητα – το πλήθος των στοιχείων στον πυρήνα που είναι πολύ βαρύτερα από το ήλιο. Επειδή ο κύκλος CNO βασίζεται στα βαρέα στοιχεία, η ροή των νετρίνων τους κλιμακώνεται ανάλογα με το πλήθος των μετάλλων στον ηλιακό πυρήνα. Η κλιμάκωση καθιστά τη ροή ένα δείκτη της χημικής σύνθεσης του Ήλιου τη στιγμή της διαμόρφωσής του.

Τα νετρίνα, όμως, είναι εξαιρετικά δύσκολο να ανιχνευτούν. Κάπου 700 εκατομμύρια νετρίνα του κύκλου CNO περνούν μέσω ενός τετραγωνικού εκατοστόμετρου της Γης ανά δευτερόλεπτο αλλά με μια μέση ελεύθερη διαδρομή περίπου ενός έτους φωτός μέσω βραχώδους ύλης. Ο ανιχνευτής Borexino, τοποθετημένος 3 Km κάτω από τα Απέννινα όρη στο Εθνικό Εργαστήριο της Ιταλίας Gran Sasso, έχει συλλάβει αυτά το νετρίνα του κύκλου CNO, για πρώτη φορά. Για να τα δουν, μια συνεργασία σχεδόν 100 επιστημόνων έψαξαν για φωτεινές αναλαμπές που παράγονται από τη σκέδαση των νετρίνων από ηλεκτρόνια σε 780 τόνους βασισμένου στο πετρέλαιο σπινθηριστή. Οι ερευνητές μέτρησαν ένα ρυθμό 7,0 [+3,0, -1,7] ανά ημέρα ανά 100 τόνους του σπινθηριστή.

Κλειδί για το επίτευγμα ήταν η διάκριση των νετρίνων CNO από άλλα ηλιακά νετρίνα και χαμηλής ενέργειας ραδιενεργούς ρύπους των οποίων οι διασπάσεις δημιουργούν φωτεινές αναλαμπές στο ίδιο ενεργειακό παράθυρο. Η συνεργασία είχε ήδη μετρήσει τη ροή των p-p νετρίνων το 2014 και ξόδεψαν χρόνια καθαρίζοντας τον υγρό σπινθηριστή. Για να κυνηγήσουν τους πολύ μικρότερους αριθμούς των CNO νετρίνων, άρχισαν να ασχολούνται με άλλη μια μακροχρόνια καμπάνια. Η σύλληψη αυτών των λίγων σωματίων που διαφεύγαν θα απαιτούσε βαθύτερο όγκο σπινθηριστή για να παραμείνει όσο το δυνατόν ελεύθερος από θερμοκρασιακές διαταραχές – και έτσι ρεύματα μεταφοράς. Για αυτό, το 2015 η συνεργασία των επιστημόνων κάλυψε τον ανιχνευτή με μια γιγάντια μάλλινη κουβέρτα, όπως φαίνεται στην εικόνα, και εγκατέστησε ένα νέο σύστημα κλιματισμού στο ίδιο δωμάτιο. Οι αναβαθμίσεις αυτές μείωσαν το σωρό του χειρότερου ρύπου υποβάθρου, το βισμούθιο-210, και το κράτησαν σε μόνο 20 cm ανά μήνα – σχετικά μακριά από τον εσωτερικό όγκο του ανιχνευτή. Το Bi-210 προέρχεται από τη διάσπαση του μολύβδου-210, που είναι συγκεντρωμένος στις σωληνώσεις του τοιχώματος που περιέχει τον σπινθηριστή.

Δυστυχώς, η πιο πρόσφατα μετρημένη ροή των νετρίνων CNO δεν ήταν αρκετά ακριβής για να βρουν, οι επιστήμονες, το πλήθος των «μετάλλων» στον πυρήνα του Ήλιου. Προηγούμενες ηλιοσεισμολογικές μετρήσεις του Ήλιου, υποστηρίζουν την ύπαρξη ενός πλούσιου σε μέταλλο πυρήνα, ενώ μετρήσεις φωτοαπορρόφησης υποστηρίζουν την ύπαρξη ενός πυρήνα φτωχού σε μέταλλο. Η επιστημονική συνεργασία εργάζεται τώρα για να πραγματοποιήσει ακόμη μια μέτρηση πριν ολοκληρωθεί το πείραμα Borexino – πιθανώς στα τέλη αυτής της χρονιάς.