I neutrini spiegano come funziona il Sole

Borexino misura con estrema precisione il flusso solare

di Silvia Fracchia

Di neutrini si è parlato parecchio in quest’ultimo periodo, e agli onori della cronaca sono balzati, in particolare, gli ormai famosissimi neutrini in transito dal CERN al Gran Sasso. In questo caso, dunque, le elusive particelle provengono da un acceleratore: esse hanno origine nelle reazioni ottenute facendo collidere il fascio di protoni del Super Proton Synchrotron dell’LHC su un bersaglio di grafite e sono dirette verso i laboratori sotterranei del Gran Sasso, dove vengono rivelate. Tuttavia gli acceleratori di particelle non sono l’unica sorgente di neutrini disponibile. Anzi, l’estremo interesse nei confronti di queste particelle elementari ha avuto origine qualche decennio fa proprio in seguito allo studio dei neutrini provenienti dal Sole.

Proprio il flusso dei neutrini solari prodotti in una particolare reazione nucleare attiva all’interno della stella è stato misurato con estrema precisione nell’ambito dell’esperimento Borexino, in corso ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso. L’annuncio è stato dato dagli scienziati della collaborazione, tra cui Laura Cadonati e Andrea Pocar, dell’Università del Massachusetts ad Amherst, negli Stati Uniti, e i dati riportati in un paper pubblicato su “Physical Review Letters”.

Vista dell'interno del rivelatore di Borexino. (Cortesia: Borexino collaboration)

La fonte di energia delle stelle, come è noto, è costituita dai processi di fusione che avvengono all’interno dei loro nuclei. Nel caso del nostro Sole, una nana gialla di mezza età, il processo predominante è la fusione di nuclei di idrogeno in nuclei di elio, che si realizza mediante le reazioni della catena protone-protone e, in misura minore, mediante quelle del ciclo CNO. Tra i prodotti finali di queste reazioni, in molti casi, sono presenti anche i neutrini. Essi, interagendo molto debolmente con la materia, riescono a uscire dal Sole senza essere assorbiti e a raggiungere il nostro pianeta. Il flusso (ossia il numero di neutrini per unità di tempo e superficie) misurato da Borexino è quello dei neutrini prodotti in una reazione della catena p-p, che vede nello stato di partenza un nucleo di berillio-7 e un elettrone. La straordinaria precisione di questa misura rappresenta una svolta notevole, poiché permetterà di studiare le proprietà di questi neutrini solari di bassa energia, inferiore a un MegaelettronVolt (MeV).

Schema delle reazioni della catena protone-protone. (Cortesia: Dorottya Szam)

Borexino è un rivelatore costituito da 300 tonnellate di scintillatore liquido ultrapuro, circondato da 2.000 tonnellate di acqua, ed è in grado di rivelare neutrini a partire da una soglia di energia molto bassa, riuscendo così a coprire l’intero spettro energetico dei neutrini solari. Misure precise di flusso erano già state effettuate in altri esperimenti, ma solo per neutrini di energie superiori, provenienti da altre reazioni.

I dati raccolti mostrano inoltre l’evidenza delle oscillazioni del neutrino, un fenomeno estremamente interessante e non previsto dal Modello Standard, che assume massa nulla per i neutrini. Questi ultimi, come è noto, esistono in tre differenti sapori: elettronico, muonico e tauonico. Il cosiddetto “problema dei neutrini solari”, cioè la discrepanza tra il flusso neutrinico misurato sulla Terra e quello previsto dai modelli teorici, ha messo in luce la possibilità che avvengano delle oscillazioni di sapore, ossia che neutrini di un tipo possano trasformarsi in altri di tipo diverso. Pertanto i neutrini elettronici prodotti nel Sole avrebbero modo di cambiare sapore nel loro tragitto fino alla Terra, sfuggendo alla rivelazione. Il verificarsi delle oscillazioni è possibile solo assumendo che i neutrini abbiano una massa diversa da zero, rendendo quindi necessarie delle modifiche al Modello Standard. Grazie all’elevata sensibilità dei rivelatori di Borexino, i parametri delle oscillazioni possono essere stimati in modo molto accurato, permettendo un altrettanto accurato studio delle differenze di massa dei neutrini di diverso sapore.

Riguardo al futuro, gli scienziati di Borexino prevedono uno studio sempre più approfondito del Sole e della sua evoluzione e non escludono la possibilità di qualche sorpresa, come la scoperta (hai visto mai?) di un nuovo tipo di neutrino.

Bellini, G., Benziger, J., Bick, D., Bonetti, S., Bonfini, G., Buizza Avanzini, M., Caccianiga, B., Cadonati, L., Calaprice, F., Carraro, C., Cavalcante, P., Chavarria, A., D’Angelo, D., Davini, S., Derbin, A., Etenko, A., Fomenko, K., Franco, D., Galbiati, C., Gazzana, S., Ghiano, C., Giammarchi, M., Goeger-Neff, M., Goretti, A., Grandi, L., Guardincerri, E., Hardy, S., Ianni, A., Ianni, A., Kobychev, V., Korablev, D., Korga, G., Koshio, Y., Kryn, D., Laubenstein, M., Lewke, T., Litvinovich, E., Loer, B., Lombardi, F., Lombardi, P., Ludhova, L., Machulin, I., Manecki, S., Maneschg, W., Manuzio, G., Meindl, Q., Meroni, E., Miramonti, L., Misiaszek, M., Montanari, D., Mosteiro, P., Muratova, V., Oberauer, L., Obolensky, M., Ortica, F., Pallavicini, M., Papp, L., Peña-Garay, C., Perasso, L., Perasso, S., Pocar, A., Raghavan, R., Ranucci, G., Razeto, A., Re, A., Romani, A., Sabelnikov, A., Saldanha, R., Salvo, C., Schönert, S., Simgen, H., Skorokhvatov, M., Smirnov, O., Sotnikov, A., Sukhotin, S., Suvorov, Y., Tartaglia, R., Testera, G., Vignaud, D., Vogelaar, R., von Feilitzsch, F., Winter, J., Wojcik, M., Wright, A., Wurm, M., Xu, J., Zaimidoroga, O., Zavatarelli, S., Zuzel, G., & , . (2011). Precision Measurement of the ^{7}Be Solar Neutrino Interaction Rate in Borexino Physical Review Letters, 107 (14) DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.141302