"Viaggio nel cuore del sole": ecco come funziona Borexino

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Il 28 Agosto sulla prestigiosa rivista Nature l’esperimento Borexino ha pubblicato il suo più recente e anche più eclatante risultato, la rivelazione diretta dei neutrini solari prodotti nella reazione di fusione di due protoni, alla base del funzionamento del Sole. In un certo senso Borexino ha osservato direttamente nel cuore della nostra della nostra stella, in presa diretta, il funzionamento del suo “motore”, dando una risposta netta e inequivocabile al secolare quesito del perché il Sole risplende.

Come funziona Borexino?

Ma prima di spiegare più in dettaglio cosa ha visto Borexino e le implicazioni di questa sua osservazione, descriviamone le caratteristiche salienti, illustrando la “carta d’identità” di questo gigante sotterraneo. Intanto dove è localizzato: Borexino si trova presso il Laboratorio Nazionale del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), il più importante centro di ricerca mondiale per attività sperimentali sotterranee.
L’ambiente del Laboratorio, schermato dagli oltre 1400 metri di roccia sovrastante dall’effetto dei raggi che continuamente bombardano la superficie terrestre provenienti dalle profondità dell’universo, costituisce un’enclave privilegiata caratterizzata dalla situazione di “silenzio cosmico” fondamentale per il funzionamento di macchine ultrasensibili come Borexino.
Gli apparati che alla stregua di Borexino sono alla caccia di particelle elusive e quasi inafferrabili come i neutrini, hanno bisogno di condizioni ambientali di assoluta “limpidezza”, intesa come assenza di qualunque interferenza, per poter condurre con successo le proprie investigazioni di punta, condizioni che solo siti profondi e specializzati come il Laboratorio del Gran Sasso possono garantire.
Ma la profondità e il conseguente silenzio cosmico da soli non bastano, ci sono infatti altri “nemici” diffusissimi che ostacolano questo tipo di ricerche all’estrema frontiera della conoscenza del mondo che ci circonda: si tratta degli elementi radioattivi naturalmente presenti nella crosta terrestre e che quindi sono automaticamente incorporati in qualunque manufatto venga costruito a partire da qualunque materia prima. Mentre, solitamente, questo tipo di contaminazione non produce nessuna controindicazione nella vita quotidiana, gli stessi livelli minimali di radioattività sono assolutamente deleteri nei nostri sensibilissimi apparati sperimentale. La radioattività naturale, infatti, genera particelle e radiazioni ionizzanti che hanno la potenzialità di confondere le nostre sofisticate strumentazioni, dando ad esempio l’illusione di un segnale di neutrino, quando invece il neutrino non c’è.
Il problema è tanto più serio proporzionalmente alle dimensioni dell’apparato, in quanto è ovviamente maggiore la massa che può essere affetta dalla radioattività naturale. Da questo punto di vista va notato che Borexino ha dimensioni assolutamente ragguardevoli, che lo connotano come un’autentica macchina gigante di esplorazione, con ben 2500 tonnellate di acqua di schermo, 300 tonnellate di scintillatore e 1000 tonnellate di uno speciale idrocarburo usato come cuscinetto protettivo attorno al nucleo scintillante.
Le sue grandi dimensioni sono necessarie per garantire un adeguato tasso di interazione dei neutrini nel rivelatore; accumulando, infatti una notevole quantità di materiale “bersaglio”, in questo caso le 300 tonnellate di scintillatore liquido, aumenta conseguentemente la probabilità che alcuni dei neutrini che compongono il flusso enorme che investe la Terra provenendo dal Sole (ben 60 milioni per cm2 e secondo) si scontrino con uno degli elettroni dello scintillatore stesso, dando luogo ad un flebile lampo di luce che di fatto fotografa il singolo neutrino rivelalo.
Ebbene questa grande massa scintillante deve essere purissima in termini di radioattività residua per evitare la generazione di “falsi positivi”, ovvero di lampi di luce non dovuti ai neutrini che inevitabilmente confonderebbero l’apparato. Il raggiungimento di una condizione di pulizia estrema è stata la grande sfida tecnologa della collaborazione che ha costruito Borexino, che in questo sforzo ha sviluppato tecniche di purificazione di assoluta avanguardia, le quali hanno consentito di ottenere nello scintillatore liquido una purezza radioattiva estrema e mai ottenuta prima in nessun altro ambito, all’incredibile livello di diecimila miliardi di volte inferiore ai livelli usuali sulla crosta terrestre.

I risultati di Borexino

Questa macchina straordinaria, assolutamente unica nel suo genere, ha cominciato a funzionare nel 2007, iniziando da subito con successo a esplorare le viscere del Sole. Dalla sua accensione, Borexino è riuscito a rivelare i neutrini di più alta energia provenienti dalle reazioni successive a quella base di fusione protone-protone, gettando un primo sguardo tramite essi, ma in maniera indiretta, al meccanismo di funzionamento delle nostra stella. La limitazione incontrata nell’arco di quelle prime misure era che i residui contaminanti radioattivi, benché assolutamente esigui, erano però ancora ad un livello tale da mascherare i neutrini molto più copiosi, ma energeticamente più flebili e quindi più difficili da osservare, della reazione base.
Questo ostacolo è stato superato grazie a un immane sforzo di purificazione che è stato condotto sullo scintillatore dalla metà del 2010 fino alla fine del 2011, che ha poi portato all’attuale livello massimo di pulizia, tale da consentire finalmente di osservare con nitidezza il flusso principale dei neutrini solari da protone-protone, e di misurare quindi per mezzo loro l’energia prodotta dal Sole nell’atto stesso della sua generazione. Si tratta di un risultato assolutamente straordinario che ci consente di gettare lo sguardo direttamente e in tempo reale sul funzionamento della fucina nucleare della nostra stella, con l’unico ritardo degli 8 minuti di transito necessari ai neutrini prodotti per arrivare fino a noi.
Il meccanismo nucleare che permette al Sole di vivere e risplendere è in questo modo pienamente svelato, e l’antica domanda sul perché il Sole brilla ha ormai una risposta assolutamente inequivocabile, di cui Borexino ha fornito l’ultimo fondamentale tassello: come aveva ipotizzato per primo Arthur Eddington nel 1920 è l’idrogeno, i cui protoni si fondono, a costituire il combustibile che bruciando nella fusione nucleare alimenta il motore della nostra e delle altre stelle ad essa simili.

Ma Borexino ha fatto anche di più, ha consentito di verificare, confrontando il flusso di neutrini con quello di fotoni, l’assoluta stabilità della fornace nucleare solare negli ultimi centomila anni. Questo, infatti, è il tempo che impiegano i fotoni prodotti dalle reazioni nucleari nella profondità del Sole a emergere fino alla sua superficie a causa dei molteplici effetti di interazione con il plasma solare. I neutrini invece no, sono messaggeri che fuoriescono subito dal nocciolo solare pressoché indisturbati, in virtù della loro assoluta refrattarietà a interagire con qualunque forma di materia. Quindi la duplice scansione temporale dei neutrini e dei fotoni consente, appunto, dal confronto dei rispettivi flussi di dedurre la stazionarietà del funzionamento del Sole negli ultimi 100 mila anni.
Va, inoltre, sottolineata l’implicazione della misura effettuata anche per ciò che concerne il ben noto fenomeno delle oscillazioni di neutrino: il valore del flusso dei neutrini dalla reazione protone-protone, confrontato con le previsioni del Modello Solare relativamente al loro tasso di produzione atteso, ha consentito a Borexino di dimostrare, anche qui con assoluta certezza, che i neutrini di così bassa energia subiscono nel tragitto Sole-Terra la trasformazione esattamente come prevista dalle cosiddette “oscillazioni nel vuoto”.
Data la sua grande rilevanza, il risultato appena annunciato da Borexino ha segnato un altro grande successo per la fisica delle particelle italiana, che vede così ulteriormente confermato il suo ruolo di avanguardia nel panorama mondiale della ricerca fondamentale più innovativa.

I prossimi passi

Il percorso scientifico di Borexino non finisce qui, ma è destinato a continuare ancora per alcuni anni.
Il prossimo ambizioso obiettivo nell’indagine solare è quello di rilevare i flussi di neutrini provenienti anche dal ciclo Carbonio-Azoto-Ossigeno (CNO), che, sebbene rappresenti solo l’1% dell’energia solare, mentre il restante 99% è prodotto appunto dalla catena primaria protone-protone, ha un interesse astrofisico notevolissimo, in quanto si ritiene sia il meccanismo dominante nelle stelle massive, cioè quelle con una massa più di una volta e mezza quella del Sole.
La misura del CNO è anch’essa difficilissima, al pari e forse più di quella appena conclusa, ma se condotta a termine il suo impatto astrofisico sarebbe enorme.
Aspettiamo perciò con fiducia, per gli anni futuri, ulteriori notizie sulle viscere del Sole che verranno dalle profondità del Gran Sasso.

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