Borexino: leer el núcleo del Sol en tiempo real

La pureza como único problema de diseño

La mayoría de los detectores se definen por su tamaño. Borexino se definió por su limpieza. Su objetivo eran neutrinos solares por debajo de un megaelectronvoltio, y a esas energías la señal es indistinguible de la desintegración radiactiva natural de contaminantes traza en el propio detector. Los materiales corrientes son desesperadamente radiactivos a esa escala. El aire también.

La colaboración dedicó cerca de una década a resolverlo antes de tomar una sola medida. El centellador, un derivado del benceno llamado pseudocumeno, se purificó hasta que la contaminación de uranio y torio cayó a una parte en 10^19 aproximadamente, un nivel tan bajo que no puede medirse con análisis convencionales, solo inferirse del propio silencio del detector.

La construcción es un conjunto de capas anidadas, cada una protegiendo a la siguiente. La más interna es un recipiente de nylon de 8,5 metros de diámetro con el centellador. A su alrededor, un tampón de líquido no centelleante; después una esfera de acero inoxidable de 13,7 metros con 2.212 tubos fotomultiplicadores; y finalmente un tanque exterior con 2.100 toneladas de agua ultrapura que actúa como veto Cherenkov frente a los muones de rayos cósmicos.

Solo la región central del centellador se usó para física. Las capas exteriores del mismo líquido servían de blindaje para las interiores: un diseño en el que el detector se protege de su propio recipiente.

En qué se diferencia un detector de centelleo

Un detector Cherenkov de agua como Super-Kamiokande ve un cono de luz direccional y por tanto sabe de dónde vino la partícula, pero necesita un suceso relativamente energético para que ese cono exista. Un centellador funciona de otro modo: el propio medio fluoresce cuando lo atraviesa una partícula cargada, emitiendo luz en todas direcciones.

El intercambio es dirección por sensibilidad. El centelleo produce muchos más fotones por unidad de energía depositada que la radiación Cherenkov, lo que rebaja el umbral de energía en un factor grande. Borexino podía ver sucesos de unos pocos centenares de kiloelectronvoltios, muy por debajo de lo que alcanza un detector de agua.

Lo que cedió fue el apuntado. Un destello de centelleo es isótropo, así que Borexino no podía decir en general de qué dirección venía un neutrino. Identificaba los neutrinos solares de forma estadística, por sus espectros de energía característicos y por la modulación anual al cambiar la órbita terrestre la distancia al Sol.

Este es el patrón recurrente en los observatorios de neutrinos: cada tecnología compra una capacidad renunciando a otra, y el campo avanza haciendo funcionar varias en paralelo, no encontrando un único diseño óptimo.

El instrumento en cifras

Borexino funcionó catorce años y se desmanteló en octubre de 2021.

• Ubicación: Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italia, bajo unos 1.400 metros de roca (unos 3.800 metros equivalentes de agua)
• Blanco: 278 toneladas de centellador líquido (pseudocumeno con PPO) en un recipiente de nylon de 8,5 metros de diámetro
• Radiopureza: uranio-238 y torio-232 en torno a 10^-19 gramos por gramo
• Fotosensores: 2.212 tubos fotomultiplicadores sobre una esfera de acero inoxidable de 13,7 metros de diámetro
• Veto exterior: 2.100 toneladas de agua ultrapura con 208 fotomultiplicadores adicionales
• Umbral de energía: unos pocos centenares de keV, muy por debajo de cualquier detector Cherenkov de agua
• Periodo de operación: de 2007 a octubre de 2021

Medir el motor del Sol, reacción a reacción

El Sol funciona principalmente con la cadena protón-protón, una secuencia de reacciones que producen neutrinos de energías características. Borexino las abordó por orden de dificultad. Primero llegaron los neutrinos de berilio-7, en 2007 y 2008: la primera detección en tiempo real de neutrinos solares a esa energía. Los neutrinos pep, mucho más raros, siguieron en 2012.

En 2014 alcanzó la propia reacción pp: la fusión de dos protones, primer paso de la cadena y origen de alrededor del 99 por ciento de la energía solar. Esa medida es lo más cerca que nadie ha estado de observar directamente la fuente de energía del Sol, y solo es posible por debajo del umbral de cualquier otra tecnología.

En conjunto, estas medidas permitieron a Borexino algo insólito: calcular la potencia total del Sol a partir de sus neutrinos y compararla con la potencia medida en luz. Ambas coinciden. Como los neutrinos salieron del núcleo hace ocho minutos y la luz hace unos cien mil años, la coincidencia significa que la potencia del núcleo no ha cambiado de forma apreciable en ese intervalo: una comprobación directa de la estabilidad estelar que ningún otro método ofrece.

Borexino también confirmó, en un amplio rango de energías, cómo la oscilación de neutrinos cambia de carácter entre bajas y altas energías cuando los efectos de materia en el interior solar se vuelven importantes, una predicción hecha décadas antes y comprobada solo por partes.

El ciclo CNO y el calor bajo sus pies

En 2020 la colaboración anunció la primera prueba directa de neutrinos del ciclo CNO, un proceso de fusión en el que carbono, nitrógeno y oxígeno actúan como catalizadores para convertir hidrógeno en helio. En el Sol el ciclo CNO aporta solo alrededor del uno por ciento de la energía, y precisamente por eso nunca se había visto. En estrellas más masivas que el Sol es el proceso dominante, de modo que fue la primera observación directa del mecanismo que alimenta a la mayoría de las estrellas masivas del universo.

La medida exigió suprimir un fondo de bismuto-210 que se difundía lentamente por el centellador, algo que la colaboración logró estabilizando térmicamente todo el detector para que las corrientes de convección dejaran de arrastrar contaminación hacia el interior. Llevó años, y ilustra bien lo que cuesta realmente la precisión a este nivel.

Borexino produjo además algunas de las mejores medidas de geoneutrinos, antineutrinos procedentes de la desintegración de uranio y torio en el interior de la Tierra. Combinadas con datos de KamLAND en Japón, acotan qué parte del calor interno del planeta es radiogénica y cuál procede de su formación.

Esa doble capacidad merece señalarse. El mismo instrumento, sin modificación alguna, midió la fuente de energía de una estrella a 150 millones de kilómetros y la fuente de energía bajo el suelo. Ambas señales son neutrinos; solo cambian las energías y las direcciones de llegada.

Lo que Borexino no muestra

Su extraordinaria sensibilidad se cita a menudo sin el contexto que la hace significativa. Borexino detectaba neutrinos solares a razón de unas pocas decenas al día, en 278 toneladas de centellador, tras una década de trabajo de purificación y bajo 1.400 metros de roca. Ese es el precio de ver siquiera el flujo de neutrinos más abundante que llega a la Tierra.

El Sol entrega en la superficie terrestre unos 65.000 millones de neutrinos por centímetro cuadrado y segundo. El rendimiento de Borexino, unas decenas de interacciones al día, es la medida honesta de lo que ese flujo supone en la práctica, y es una afirmación sobre lo débilmente que interactúan los neutrinos, no sobre cuántos hay.

Esto atañe directamente a cómo deben formularse las afirmaciones sobre energía ambiental. La pregunta en la investigación neutrinovoltaica no es si los neutrinos solares pueden capturarse para generar potencia: Borexino muestra lo que cuesta capturarlos. Es si la radiación ambiental y las fluctuaciones térmicas en la superficie de un material diseñado pueden impulsar una corriente medible, que es otra pregunta física con otra respuesta, y que este detector no aborda.

Lo que Borexino sí establece es que el interior del Sol es hoy un objeto observable y no una inferencia. Eso es un cambio real en lo que la astronomía puede hacer, y no hizo falta un detector más grande, solo uno más limpio.