Neutrinos produzidos pelo elusivo ciclo carbono-nitrogênio-oxigênio (CNO) no Sol foram observados pela primeira vez – confirmando uma teoria proposta pela primeira vez há mais de 80 anos. A observação foi feita por físicos que trabalham no detector Borexino da Itália e fornece uma visão importante sobre como as estrelas se alimentam convertendo hidrogênio em hélio. Agora que os neutrinos CNO foram detectados, estudos futuros podem ajudar a resolver o mistério que cerca a “metalicidade” do Sol – a abundância de carbono, nitrogênio e oxigênio na estrela.
Os astrofísicos acreditam que as estrelas convertem hidrogênio em hélio por meio de dois processos de fusão nuclear. Um é chamado de cadeia pp e é responsável por 99% da energia de fusão do sol. Envolve a fusão de um par de prótons para criar o deutério, que então se funde com um terceiro próton para criar o hélio-3. Finalmente, dois núcleos de hélio-3 se fundem para criar um hélio-4. Existem dois outros ramos da cadeia pp que também produzem hélio-4 por meio da produção intermediária de lítio, berílio e boro.
O segundo processo é o ciclo CNO, que foi proposto independentemente em 1938 por Hans Bethe e Carl Friedrich von Weizsacker. Acredita-se que seja responsável por cerca de 1% da energia de fusão em estrelas do tamanho do Sol – mas acredita-se que domine a produção de energia de estrelas maiores. O ciclo é conduzido pela fusão de prótons com núcleos de carbono, nitrogênio e oxigênio em um processo de seis etapas que cria um núcleo de hélio-4 antes de se repetir.
Ambos os processos pp e CNO envolvem a emissão de espectros distintos de neutrinos solares. Em 2018, a colaboração Borexino fez uma medição abrangente dos neutrinos solares produzidos pela cadeia pp.
Desafios de detecção
Agora, os físicos que trabalham no detector mediram o sinal de neutrino muito mais fraco do ciclo CNO. Para fazer isso, os físicos tiveram que superar os desafios de detecção impostos pela energia e fluxo relativamente baixos dos neutrinos CNO.
O Borexino compreende 278 toneladas de cintilador líquido ultrapuro e detecta neutrinos solares quando eles colidem com elétrons no cintilador. Conforme o elétron recua, ele produz luz, que é capturada por uma série de tubos fotomultiplicadores. Apesar do enorme fluxo de neutrinos solares que passa por Borexino, raramente acontecem colisões e apenas dezenas de neutrinos são detectados diariamente. Como resultado, o detector está localizado nas profundezas da montanha Gran Sasso para protegê-lo dos raios cósmicos, que sobrecarregariam completamente o sinal do neutrino. Além disso, o cintilador contém níveis muito baixos de impurezas radioativas, que também contribuem para o sinal de fundo.
Os dados neste estudo foram adquiridos durante a fase III do experimento Borexino, que durou mais de 1000 h em julho de 2016-fevereiro de 2020. Como o sinal CNO é muito fraco, os pesquisadores tiveram que levar em conta o background de duas impurezas de baixo nível – bismuto-210 e carbono-11 – que pode imitar o sinal esperado dos neutrinos CNO. A equipe também teve que contabilizar os neutrinos criados pelo processo próton-elétron-próton no Sol, que também podem ser confundidos com neutrinos CNO.
Caracterização meticulosa
Ao caracterizar meticulosamente esses sinais de fundo, a equipe foi capaz de detectar neutrinos do processo CNO com uma significância estatística de 5,1? – acima do nível 5? é considerado uma descoberta na física de partículas. Além de confirmar as idéias de longa data de Bethe e von Weizsacker, a medição também apóia a crença atual de que cerca de 1% da energia de fusão solar é criada pelo ciclo CNO.
Embora o resultado forneça uma medida da abundância de carbono, nitrogênio e oxigênio no Sol, não é preciso o suficiente para resolver o “quebra-cabeça da metalicidade” do Sol. Este mistério surgiu recentemente como medições espectrográficas da opacidade do Sol e medições heliossismológicas da velocidade do som no Sol sugerem valores conflitantes para metalicidade. Após o sucesso do Borexino, melhorias futuras nos detectores de neutrino podem resolver este mistério.
O resultado também fornece uma confirmação importante de como o ciclo CNO deve dominar a fusão dentro de estrelas maiores que o sol.
Publicado em 26/11/2020 11h20
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