Uma equipe internacional de cerca de 100 cientistas da Colaboração Borexino, incluindo a física de partículas Andrea Pocar da Universidade de Massachusetts Amherst, relatou na Nature esta semana a detecção de neutrinos do sol, revelando diretamente pela primeira vez que o ciclo de fusão carbono-nitrogênio-oxigênio (CNO) está ocorrendo em nosso sol.
O ciclo CNO é a fonte de energia dominante, fornecendo energia às estrelas mais pesadas do que o Sol, mas até agora nunca foi detectado diretamente em nenhuma estrela, explica Pocar.
Durante grande parte de sua vida, as estrelas obtêm energia fundindo hidrogênio em hélio, acrescenta. Em estrelas como o nosso Sol ou mais claras, isso acontece principalmente por meio das cadeias ‘próton-próton’. No entanto, muitas estrelas são mais pesadas e quentes que o nosso Sol e incluem elementos mais pesados que o hélio em sua composição, uma qualidade conhecida como metalicidade. A previsão desde a década de 1930 é que o ciclo CNO será dominante em estrelas pesadas.
Neutrinos emitidos como parte desses processos fornecem uma assinatura espectral que permite aos cientistas distinguir aqueles da ‘cadeia próton-próton’ daqueles do ‘ciclo CNO.’ Pocar ressalta: “A confirmação da queima do CNO em nosso sol, onde opera a apenas um por cento, reforça nossa confiança de que entendemos como as estrelas funcionam”.
Além disso, os neutrinos CNO podem ajudar a resolver uma importante questão em aberto na física estelar, acrescenta. Ou seja, como a metalicidade central do sol, que só pode ser determinada pela taxa de neutrino CNO do núcleo, está relacionada à metalicidade em outras partes de uma estrela. Os modelos tradicionais encontraram uma dificuldade – as medidas de metalicidade de superfície por espectroscopia não concordam com as medidas de metalicidade de subsuperfície inferidas de um método diferente, as observações de heliosismologia.
Pocar diz que os neutrinos são realmente a única sonda direta que a ciência tem para o núcleo das estrelas, incluindo o Sol, mas são extremamente difíceis de medir. Até 420 bilhões deles atingem cada centímetro quadrado da superfície da Terra por segundo, mas praticamente todos passam sem interagir. Os cientistas só podem detectá-los usando detectores muito grandes com níveis de radiação de fundo excepcionalmente baixos.
O detector Borexino fica nas profundezas dos Apeninos, no centro da Itália, no Laboratori Nazionali del Gran Sasso do INFN. Ele detecta neutrinos como flashes de luz produzidos quando os neutrinos colidem com elétrons em 300 toneladas de cintilador orgânico ultra-puro. Sua grande profundidade, tamanho e pureza tornam o Borexino um detector único para esse tipo de ciência, o único em sua classe para radiação de fundo de baixa, diz Pocar. O projeto foi iniciado no início dos anos 1990 por um grupo de físicos liderados por Gianpaolo Bellini na Universidade de Milão, Frank Calaprice em Princeton e o falecido Raju Raghavan na Bell Labs.
Até suas últimas detecções, a colaboração Borexino tinha medido com sucesso os componentes dos fluxos de neutrino solar ‘próton-próton’, ajudou a refinar os parâmetros de oscilação do sabor do neutrino e, o mais impressionante, mediu até a primeira etapa do ciclo: a energia muito baixa neutrinos pp ‘, lembra Pocar.
Seus pesquisadores sonhavam em expandir o escopo da ciência para procurar também os neutrinos CNO – em uma região espectral estreita com fundo particularmente baixo – mas esse prêmio parecia fora de alcance. No entanto, grupos de pesquisa em Princeton, Virginia Tech e UMass Amherst acreditavam que os neutrinos CNO ainda poderiam ser revelados usando as etapas de purificação adicionais e métodos que desenvolveram para realizar a estabilidade requintada do detector necessária.
Ao longo dos anos e graças a uma sequência de movimentos para identificar e estabilizar as origens, os cientistas dos EUA e toda a colaboração foram bem-sucedidos. “Além de revelar os neutrinos CNO, que é o assunto do artigo desta semana na Nature, agora existe até mesmo um potencial para ajudar a resolver o problema de metalicidade também”, diz Pocar.
Antes da descoberta de neutrinos do CNO, o laboratório havia programado o Borexino para encerrar as operações no final de 2020. Mas como os dados usados na análise para o artigo da Nature foram congelados, os cientistas continuaram coletando dados, já que a pureza central continuou a melhorar, tornando um novo resultado focado na metalicidade uma possibilidade real, diz Pocar. A coleta de dados pode se estender até 2021, uma vez que a logística e as autorizações necessárias, enquanto em andamento, não são triviais e demoradas. “Cada dia a mais ajuda”, comenta.
Pocar está com o projeto desde seus dias de pós-graduação em Princeton no grupo liderado por Frank Calaprice, onde trabalhou no projeto, construção da embarcação de náilon e comissionamento do sistema de manuseio de fluidos. Mais tarde, ele trabalhou com seus alunos na UMass Amherst na análise de dados e, mais recentemente, em técnicas para caracterizar os fundos para a medição de neutrino CNO.
Publicado em 30/11/2020 21h02
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