L’energia del Sole trasforma il carbonio sotto la Terra

Osservata per la prima volta una reazione nucleare indotta da neutrini solari a bassissima energia.

Nel rivelatore SNO+ particelle provenienti dal Sole trasformano il carbonio‑13 in azoto‑13, aprendo nuove prospettive sul funzionamento dell’energia solare e sui processi nucleari fondamentali.

I neutrini come vettori fondamentali dell’energia stellare

I neutrini rappresentano uno dei prodotti più diretti e meno mediati dei processi di produzione di energia nucleare nel Sole. A differenza dei fotoni, che impiegano migliaia di anni per emergere dal plasma solare a causa delle continue interazioni con la materia, i neutrini vengono emessi nel cuore delle reazioni di fusione e attraversano indisturbati l’intera struttura stellare. In questo senso costituiscono un flusso energetico informativo, più che calorico, che trasporta all’esterno una traccia immediata delle reazioni nucleari in corso.

Ogni secondo, enormi quantità di neutrini solari attraversano la Terra senza lasciare segni misurabili. La loro sezione d’urto estremamente ridotta li rende quasi trasparenti alla materia ordinaria. Proprio questa caratteristica, però, li rende strumenti unici per verificare in modo diretto i modelli energetici delle stelle, senza le distorsioni introdotte dai processi radiativi.

Un’interazione rarissima osservata in profondità

Un risultato sperimentale recente ha dimostrato che anche queste particelle elusivamente deboli possono innescare reazioni nucleari misurabili, se osservate con strumenti sufficientemente sensibili e in ambienti estremamente schermati. Nel rivelatore SNO+, situato a circa due chilometri di profondità presso SNOLAB, in Canada, un team di ricercatori ha osservato neutrini solari convertire nuclei di carbonio‑13 in azoto‑13.

La reazione osservata può essere descritta come un processo di cattura indotta da neutrini, seguito da decadimento radioattivo. Il carbonio‑13, un isotopo stabile presente in piccola percentuale nei materiali organici, interagisce con un neutrino solare producendo azoto‑13, un isotopo instabile che decade con un’emivita di circa dieci minuti.

Perché questa reazione è energeticamente rilevante

Dal punto di vista energetico, la rilevanza non risiede nella quantità di energia rilasciata localmente, che è minima, ma nel fatto che questa reazione costituisce una sonda diretta dei flussi energetici nucleari solari. La possibilità di osservare neutrini a così bassa energia significa accedere a informazioni precise sulle catene di fusione proton‑proton che alimentano il Sole, responsabili della quasi totalità dell’energia irradiata.

Il rivelatore SNO+: un’infrastruttura per l’energia invisibile

Il cuore di SNO+ è una sfera acrilica di 12 metri di diametro che contiene circa 800 tonnellate di scintillatore liquido, circondata da oltre 9.000 fotomoltiplicatori. Questo sistema è progettato per rilevare minuscole emissioni di luce prodotte quando una particella carica attraversa il liquido.

La collocazione sotterranea del laboratorio non è un dettaglio logistico, ma una condizione essenziale dal punto di vista energetico e sperimentale. La roccia sovrastante assorbe la radiazione cosmica e i muoni ad alta energia, riducendo drasticamente il rumore di fondo che maschererebbe segnali tanto deboli quanto quelli prodotti dai neutrini solari.

La tecnica della coincidenza ritardata

L’elemento chiave che ha permesso l’osservazione della reazione carbonio‑13 → azoto‑13 è l’uso della coincidenza ritardata. Il processo produce due segnali distinti:

• un primo lampo di luce, generato dall’interazione iniziale del neutrino con il nucleo di carbonio;
• un secondo lampo, prodotto dal decadimento dell’azoto‑13 dopo alcuni minuti.

La correlazione temporale e spaziale tra questi due eventi consente di distinguere con elevata affidabilità le interazioni reali dai segnali di fondo. In un periodo di 231 giorni di acquisizione dati, sono stati osservati in media 5,6 eventi, in accordo con le previsioni teoriche basate sui flussi di neutrini solari.

Neutrini e bilancio energetico del Sole

Ogni reazione di fusione nucleare nel Sole produce neutrini con energie caratteristiche. Misurare questi neutrini equivale a misurare direttamente il tasso di produzione di energia nucleare nel nucleo solare, senza dover inferire il dato dalla luminosità superficiale.

La reazione osservata nel carbonio‑13 è sensibile a neutrini a bassissima energia, collocandosi tra le misure più delicate mai effettuate. Questo consente di affinare i modelli del ciclo proton‑proton, migliorando la precisione con cui si descrive l’equilibrio energetico del Sole.

Energia nucleare naturale come banco di prova

Dal punto di vista dell’energia, il Sole rappresenta un reattore nucleare naturale in condizioni di equilibrio da miliardi di anni. I neutrini costituiscono l’unico prodotto che consente di osservare il funzionamento interno di questo reattore in tempo reale. Ogni nuova interazione misurata amplia la capacità di confrontare teoria e realtà fisica, riducendo le incertezze sui parametri fondamentali della fusione.

La misura di una sezione d’urto fondamentale

L’osservazione diretta della reazione su carbonio‑13 ha permesso anche di ottenere la prima misura sperimentale della sezione d’urto per questo specifico processo verso lo stato fondamentale dell’azoto‑13. In termini energetici e nucleari, questo dato è cruciale per:

• calibrare i modelli di interazione debole a basse energie;
• migliorare le simulazioni dei rivelatori di neutrini;
• ridurre le incertezze sistematiche nelle misure di flussi solari.

La precisione su queste sezioni d’urto ha ricadute indirette anche su altri ambiti, come la modellazione delle reazioni nucleari in ambienti stellari diversi dal Sole e la comprensione dell’evoluzione energetica delle stelle di piccola massa.

Dall’eredità di SNO a una nuova fase della fisica dell’energia solare

SNO+ si inserisce in una linea di ricerca che ha già prodotto risultati fondamentali. Il predecessore SNO dimostrò che i neutrini cambiano “sapore” durante il viaggio dal Sole alla Terra, risolvendo il cosiddetto problema dei neutrini solari e contribuendo in modo decisivo al Premio Nobel per la Fisica del 2015.

Il nuovo risultato va oltre la semplice conta dei neutrini: utilizza i neutrini stessi come sonda attiva di reazioni nucleari. In questo scenario, il Sole diventa una sorgente naturale di particelle con cui testare trasformazioni atomiche estremamente rare, impossibili da studiare con fasci artificiali a energie comparabili.

Implicazioni per la ricerca energetica fondamentale

Sebbene questa scoperta non abbia applicazioni energetiche dirette nel senso tecnologico, il suo impatto sulla fisica dell’energia è profondo. Comprendere con maggiore precisione come avvengono le reazioni nucleari a basse energie rafforza le basi teoriche su cui poggiano:

• i modelli di fusione nucleare controllata;
• la simulazione dei reattori a confinamento magnetico e inerziale;
• lo studio delle reazioni nucleari in condizioni non terrestri.

La fusione solare rimane il riferimento ultimo per qualsiasi tecnologia che ambisca a riprodurre processi di produzione energetica pulita e sostenibile.

Un nuovo strumento per esplorare l’energia dell’universo

La capacità di osservare neutrini solari a bassissima energia e di seguirne gli effetti nucleari apre una fase sperimentale nuova. I rivelatori di prossima generazione potranno estendere queste tecniche ad altri isotopi, trasformando i neutrini in una sorta di microscopio energetico per esplorare reazioni fondamentali altrimenti irraggiungibili.

In questo contesto, l’interazione tra neutrini e carbonio‑13 osservata in SNO+ non rappresenta un evento isolato, ma il primo segnale di una possibilità più ampia: usare l’energia nucleare naturale del Sole come strumento di indagine diretta sui meccanismi più profondi che regolano la materia e l’energia nell’universo.