Borexino: esperimento che ha svelato perchè Sole e stelle brillano

La collaborazione scientifica Borexino pubblica oggi su Nature l’annuncio della prima rivelazione in assoluto della catena di fusioni nucleare detta ciclo CNO (carbonio-azoto-ossigeno): un risultato sperimentale di valore storico, che completa un capitolo della fisica iniziato negli anni '30 del secolo scorso.

L'implicazione di questa misura per la comprensione dei meccanismi stellari è enorme: infatti, poiché il ciclo CNO è ipotizzato come preponderante nelle stelle più massive del Sole; con questa osservazione Borexino ha ottenuto la prova sperimentale di quello che di fatto è il processo dominante nell’Universo per la combustione dell'idrogeno e quindi per la produzione di energia nell'Universo conosciuto.

Precedentemente Borexino aveva studiato in dettaglio il meccanismo principale di produzione di energia nel Sole, la cosiddetta catena protone-protone, tramite la rivelazione individuale di tutti i flussi di neutrini che da essa originano; i dati accumulati hanno consentito ora l'evidenza sperimentale del ciclo CNO, un ciclo che è presente anche nel Sole ma solo per l'1% e quindi molto difficile da evidenziare.

L’esperimento Borexino è l’unico al mondo capace di raggiungere queste scoperte e conseguentemente di spiegare il funzionamento del Sole e delle stelle. Esso è stato concepito da un gruppo dell’Università di Milano diretto da Gianpaolo Bellini, docente al Dipartimento di Fisica "Aldo Pontremoli" dell’Università degli Studi di Milano (e ora professore emerito) e composto da ricercatori dell’Università di Milano e della sezione di Milano dell'INFN (Istituto Nazionale Fisica Nucleare), che opera presso il nostro Dipartimento di Fisica; Borexino è stato finanziato in larga parte dall’INFN e istallato presso i Laboratori del Gran Sasso dello stesso Istituto. Lo studio e la costruzione di Borexino è iniziata trent’anni fa, nel 1990, da una collaborazione internazionale entro la quale il nostro Dipartimento e la sezione dell'INFN, hanno rappresentato il leading laboratory, con una importante partecipazione dell’Università di Princeton. La sua costruzione è stata diretta da Gianpaolo Bellini, che è stato lo spokesperson della collaborazione per 22 anni, seguito poi da Gioacchino Ranucci della Sezione INFN di Milano.

"Ora abbiamo la risposta sperimentale finale alla millenaria domanda dell'umanità su come brillino il Sole e le stelle” - sottolinea Gianpaolo Bellini. "Questo è il culmine di trent'anni di lavoro, iniziato nel 1990, e di oltre vent'anni di scoperte di Borexino nella fisica del Sole, dei neutrini, della composizione dell'interno della Terra e infine delle stelle".

I neutrini solari possono essere osservati solo con rivelatori altamente sensibili, in grado di escludere la maggior parte delle sorgenti di segnali di fondo, dovuti principalmente alla radioattività naturale. Per ottenere la sensibilità richiesta, l'esperimento Borexino è stato costruito con un design simile a una cipolla, caratterizzato da strati di crescente radio-purezza, che lo rendono un rivelatore unico al mondo per il bassissimo livello di radioattività raggiunto, mai ottenuto da nessun altro esperimento. Inoltre, la profondità del Laboratorio del Gran Sasso lo ripara delle radiazioni cosmiche, con l’eccezione appunto dei neutrini che attraversano indisturbati la materia terrestre.

Misurare i neutrini del ciclo CNO è stata un’impresa complicata che ha richiesto un grande sforzo sia di hardware sia di software. "Nonostante i successi eccezionali ottenuti e un rivelatore già ultrapuro" - spiega Gioacchino Ranucci, attuale spokesperson della collaborazione - "abbiamo dovuto impegnarci molto per migliorare ulteriormente la soppressione e la comprensione del bassissimo fondo residuo, in modo da riuscire a identificare i neutrini del ciclo CNO".

Una storia lunga 80 anni

L’esistenza del ciclo CNO fu teorizzata per la prima volta nel 1938, quando gli scienziati Bethe e von Weizsäcker proposero, indipendentemente, che la fusione dell'idrogeno nelle stelle potesse anche essere catalizzata dai nuclei di carbonio, azoto e ossigeno, in una sequenza ciclica di reazioni nucleari. Più o meno nello stesso periodo, gli stessi due scienziati suggerivano che l’energia solare fosse prodotta da una catena di reazioni di fusione di nuclei di idrogeno a produrre nuclei di Elio (ciclo pp).

Nonostante le ricerche eseguite con osservazioni astronomiche e astrofisiche, la ricerca della conferma sperimentale dei meccanismi stellari e solari di generazione di energia si è concentrata sui neutrini, particelle prodotte in abbondanza in queste reazioni, portando all’avvio negli anni 60 del XX secolo del programma scientifico del Neutrino Solare, da cui sono scaturiti risultati di grande importanza anche per la fisica delle particelle.

Con questa misura, Borexino, che si avvicina alla conclusione della sua vita, dopo aver dimostrato come brilla il Sole nei 13 anni precedenti, lascia al settore dei neutrini anche l'eredità duratura della prima osservazione dei neutrini CNO, un risultato rivoluzionario ottenuto attraverso un impressionante sforzo sperimentale, che rimarrà per il futuro come uno dei successi fondamentali dell’astrofisica e della fisica astro-particellare.