Een internationaal team van ongeveer 100 wetenschappers van de Borexino Collaboration, waaronder deeltjesfysicus Andrea Pocar van de Universiteit van Massachusetts Amherst, melden in Natuur deze week detectie van neutrino's van de zon, direct onthullend voor de eerste keer dat de koolstof-stikstof-zuurstof (CNO) fusiecyclus aan het werk is in onze zon.

De CNO-cyclus is de dominante energiebron die sterren aanstuurt die zwaarder zijn dan de zon, maar tot nu toe was het nog nooit rechtstreeks in een ster waargenomen, legt Pocar uit.

Een groot deel van hun leven, sterren krijgen energie door waterstof te fuseren tot helium, hij voegt toe. In sterren zoals onze zon of lichter, dit gebeurt meestal via de 'proton-proton'-ketens. Echter, veel sterren zijn zwaarder en heter dan onze zon, en bevatten elementen die zwaarder zijn dan helium in hun samenstelling, een kwaliteit die bekend staat als metalliciteit. De voorspelling sinds de jaren '30 is dat de CNO-cyclus dominant zal zijn in zware sterren.

Neutrino's die als onderdeel van deze processen worden uitgestoten, verschaffen een spectrale signatuur waardoor wetenschappers die van de 'proton-proton-keten' kunnen onderscheiden van die van de 'CNO-cyclus'. Pocar wijst erop, "Bevestiging van CNO-verbranding in onze zon, waar het op slechts één procent werkt, versterkt ons vertrouwen dat we begrijpen hoe sterren werken."

Achter dit, CNO-neutrino's kunnen helpen bij het oplossen van een belangrijke open vraag in de stellaire fysica, hij voegt toe. Dat is, hoe de centrale metaalachtigheid van de zon, zoals alleen kan worden bepaald door de CNO-neutrinosnelheid vanuit de kern, is gerelateerd aan metalliciteit elders in een ster. Traditionele modellen zijn tegen een probleem aangelopen:metingen van de metalliteit van het oppervlak door spectroscopie komen niet overeen met de metingen van de metalliteit onder het oppervlak die zijn afgeleid van een andere methode, helioseismologische waarnemingen.

Pocar zegt dat neutrino's echt de enige directe sonde zijn die de wetenschap heeft voor de kern van sterren, inclusief de zon, maar ze zijn buitengewoon moeilijk te meten. Maar liefst 420 miljard van hen raken elke vierkante centimeter van het aardoppervlak per seconde, maar vrijwel allemaal passeren ze zonder interactie. Wetenschappers kunnen ze alleen detecteren met zeer grote detectoren met uitzonderlijk lage achtergrondstralingsniveaus.

De Borexino-detector ligt diep onder de Apennijnen in Midden-Italië bij de INFN's Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Het detecteert neutrino's als lichtflitsen die worden geproduceerd wanneer neutrino's botsen met elektronen in 300 ton ultrazuivere organische scintillator. Zijn grote diepte, grootte en zuiverheid maken Borexino een unieke detector voor dit soort wetenschap, de enige in zijn klasse voor lage-achtergrondstraling, zegt Pocar. Het project werd begin jaren negentig geïnitieerd door een groep natuurkundigen onder leiding van Gianpaolo Bellini aan de Universiteit van Milaan, Frank Calaprice bij Princeton en wijlen Raju Raghavan bij Bell Labs.

Tot de laatste ontdekkingen, de Borexino-samenwerking had met succes componenten van de 'proton-proton' zonne-neutrinofluxen gemeten, hielp bij het verfijnen van neutrino-smaak-oscillatieparameters, en het meest indrukwekkend, zelfs de eerste stap in de cyclus gemeten:de zeer energiezuinige 'pp'-neutrino's, herinnert Pocar zich.

De onderzoekers droomden ervan de wetenschappelijke reikwijdte uit te breiden om ook naar de CNO-neutrino's te zoeken - in een smal spectraal gebied met een bijzonder lage achtergrond - maar die prijs leek onbereikbaar. Echter, onderzoeksgroepen in Princeton, Virginia Tech en UMass Amherst geloofden dat CNO-neutrino's nog zouden kunnen worden onthuld met behulp van de aanvullende zuiveringsstappen en -methoden die ze hadden ontwikkeld om de uitstekende detectorstabiliteit te realiseren die vereist is.

Door de jaren heen en dankzij een opeenvolging van bewegingen om de achtergronden te identificeren en te stabiliseren, de Amerikaanse wetenschappers en de hele samenwerking waren succesvol. "Naast het onthullen van de CNO-neutrino's die het onderwerp zijn van het Nature-artikel van deze week, er is nu zelfs een potentieel om het metalliciteitsprobleem op te lossen, ' zegt Pocar.

Vóór de ontdekking van CNO-neutrino's, het lab had gepland dat Borexino eind 2020 zou stoppen met werken. Maar omdat de gegevens die in de analyse voor het Nature-papier werden gebruikt, waren bevroren, wetenschappers zijn doorgegaan met het verzamelen van gegevens, omdat de centrale zuiverheid is blijven verbeteren, een nieuw resultaat gericht op de metalliciteit een reële mogelijkheid maken, zegt Pocar. Het verzamelen van gegevens zou tot 2021 kunnen duren, aangezien de logistiek en vergunningen nodig zijn, terwijl het onderweg is, zijn niet triviaal en tijdrovend. "Elke extra dag helpt, " merkt hij op.

Pocar is bij het project sinds zijn graduate school dagen in Princeton in de groep onder leiding van Frank Calaprice, waar hij aan het ontwerp werkte, constructie van het nylon vat en de inbedrijfstelling van het vloeistofbehandelingssysteem. Later werkte hij met zijn studenten aan de UMass Amherst aan data-analyse en, meest recent, over technieken om de achtergronden voor de CNO-neutrinometing te karakteriseren.