Perché il Sole e le Stelle splendono? Da dove viene l’energia che permette loro di inviare nel cosmo enormi quantità di onde elettromagnetiche, luminose e non? La fonte di questa energia sta nelle reazioni di fusione che hanno luogo all’interno di questi corpi celesti. Nel Sole la catena di reazioni nucleari dominante inizia con la fusione di due nuclei di Idrogeno per formare un nucleo di deuterio (reazione pp). Va ricordato che il nucleo di deuterio è formato da un protone e un neutrone e che la massa del neutrone è sostanzialmente uguale (a meno dello 0,1%) a quella del protone. Ma la massa del nucleo di deuterio è inferiore alla somma di due nuclei di Idrogeno e questa mancanza di massa crea un forte legame fra i componenti del nucleo (è questo il fenomeno detto difetto di massa). La massa mancante viene emessa sotto forma di energia raggiante secondo la nota equivalenza massa-energia E=mc2 ,ove “c” è la velocità della luce.
La serie di reazioni, che ha come capostipite la reazione pp, comprende undici fusioni; esse possono essere riassunte in totale nella fusione di quattro nuclei di Idrogeno a produrre un nucleo di Elio (composto da due protoni e due neutroni) con l’emissione di un’energia pari a 4,3 10-12 Joule . Poiché la potenza che accompagna la luminosità solare è di 3,85 1026 Watt (Joule al secondo ), nel Sole in ogni secondo 600 milioni di tonnellate di Idrogeno vengono convertite in 596 milioni di tonnellate di Elio; i rimanenti 4 milioni circa di materia vengono emessi sotto forma di energia raggiante. A causa di queste reazioni la temperatura all’interno del Sole raggiunge i 10 milioni di gradi Kelvin.
I meccanismi solari suesposti vengono descritti in un modello, detto Modello Solare Standard, il quale è stato elaborato negli ultimi quarant’anni; esso ricostruisce la struttura del Sole partendo da ipotesi riguardanti il suo comportamento termodinamico, la composizione dei gas che lo costituiscono, le reazioni nucleari che avvengono al suo interno. I controlli sperimentali delle conclusioni alle quali si arriva con questo modello riguardano essenzialmente le dimensioni dell’astro, la sua luminosità, la composizione della fotosfera (studiata mediante analisi spettroscopiche della luce solare) e la cosiddetta Eliosismologia. Quest’ultima è lo studio della velocità delle onde meccaniche prodotte da grosse perturbazioni all’interno del Sole, la cui propagazione può essere studiata con osservazioni dalla Terra.
Un’altra importante possibilità di test sperimentali è offerta dalla fortunata circostanza che alcune reazioni di fusione che avvengono nel Sole emettono neutrini. Le più importanti sono: la fusione che coinvolge i nuclei di Berillio, quella del Boro e la reazione di due nuclei di Idrogeno e un positrone (l’antiparticella dell’elettrone). Quest’ultima reazione, detta pep è l’unica figlia della fusione capostipite pp alla quale abbiamo accennato all’inizio, cioè protone-protone che produce un deutone.
I neutrini sono particelle di massa estremamente piccola, privi di carica elettrica, e aventi la proprietà di interagire molto poco con la materia che attraversano. Essi possono attraversare il Sole, la Terra e addirittura l’Universo rimanendo indisturbati. Di conseguenza i neutrini sono delle formidabili sonde utili per investigare cosa avviene in luoghi altrimenti inaccessibili, come in questo caso l’interno del Sole. Basterà dire che i fotoni di luce prodotti all’interno del Sole impiegano 100.000 anni ad arrivare alla sua superficie a causa dei continui assorbimenti e riemissioni che essi subiscono, mentre ai neutrini bastano pochi secondi.
Nel Sole, accanto alle reazioni dominanti (circa il 97%) che fanno capo alla reazione pp, ha luogo un ciclo che coinvolge i nuclei di Carbonio, Azoto e Ossigeno (ciclo CNO). Tale ciclo, decisamente minoritario (meno del 3%) nel Sole, è stato ipotizzato dagli astrofisici come assolutamente predominante (oltre il 95%) nelle stelle massive, cioè con massa superiore ad una volta e mezza la massa solare. Infatti in tali stelle le reazioni che fanno capo alla fusione pp, non producono energia sufficiente a contrastare la forza gravitazionale dovuta alla grande massa, che altrimenti farebbe implodere la stella. Il ciclo CNO invece produce energia sufficiente a contrastare la forza gravitazionale, innalzando la temperatura interna delle stelle massive a oltre 18 milioni di gradi. L’esistenza di questo ciclo però non è mai stata provata sperimentalmente.
Anche le reazioni di fusione che costituiscono il ciclo CNO, come quella del pp, producono neutrini di bassissima energia, che non sono mai stati osservati fino a qualche mese fa quando l’esperimento Borexino ha raggiunto la prova sperimentale dell’esistenza della reazione pp, attraverso la rivelazione proprio dei neutrini prodotti nella reazione figlia pep e del ciclo CNO. Tenuto conto della bassissima probabilità di interazione dei neutrini e della loro bassissima energia, come ciò è stato possibile?
I neutrini possono essere osservati quando interagiscono con la materia; ma tali eventi sono molto rari per tutto quanto detto sopra. Quindi altre interazioni che avvengano nel rivelatore a causa dei raggi cosmici e della radiazione emessa dalla radioattività naturale mascherano le interazioni dei neutrini, rendendo impossibile la loro osservazione.
Per schermarsi dai raggi cosmici bisogna andare sottoterra: Borexino è istallato infatti nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, sotto 1400 metri di roccia. Molto più difficile da risolvere è il problema della radioattività naturale: Borexino in cinque anni di ricerca ha sviluppato tecnologie che hanno permesso di sopprimere la presenza di contaminanti radioattivi a livelli mai raggiunti prima. Grazie alle sue caratteristiche uniche Borexino è stato in grado di osservare flussi di neutrini di così bassa energia. Ma questo risultato non è l’unico: Borexino aveva già ottenuto in passato la prima prova sperimentale dell’esistenza di altre reazioni di fusione che avvengono nel Sole (reazione del Berillio) e l’evidenza dei neutrini (geoneutrini) provenienti dall’interno della Terra.
Il risultato ottenuto da Borexino sulla misura dei neutrini dalle reazioni pep e CNO, è stato selezionato dalla Società Americana di Fisica come uno degli “highlights” del 2011.