Alchimia nucleare: Neutrino solare trasforma carbonio in azoto

Un team di scienziati canadesi ha compiuto un'osservazione senza precedenti, assistendo alla trasformazione di un raro isotopo di carbonio in un isotopo di azoto di breve durata, un evento innescato da un neutrino solare. Questa straordinaria reazione, avvenuta nel cuore del rivelatore di neutrini SNO+, rappresenta una delle reazioni a più bassa energia mai osservate in natura, una vera e propria alchimia nucleare.

L'esperimento, condotto dalla collaborazione SNO+, si è svolto nel laboratorio sotterraneo SNOLAB in Canada, a una profondità di 2 km. Questa profondità è cruciale per schermare il rivelatore dalla maggior parte delle particelle elementari, permettendo ai neutrini, che interagiscono debolmente con la materia, di raggiungere il sensore. La capacità dei neutrini di attraversare enormi spessori di materia è ben nota; per esempio, uno spessore di piombo pari a un anno luce offrirebbe solo una probabilità del 50% di interazione con un neutrino.

L'obiettivo primario degli scienziati era osservare i neutrini solari, relativamente facili da identificare grazie alla loro energia inferiore rispetto ai neutrini atmosferici o cosmici, generati da eventi cosmici violenti come le esplosioni di supernove. Il rivelatore SNOLAB è costituito da una sfera contenente circa 800 tonnellate di scintillatore liquido, nello specifico alchilbenzene lineare. All'interno di questa soluzione è presente l'isotopo carbonio-13 (13C) in una percentuale di circa l'1,1%. Nonostante la rarità dell'interazione, i ricercatori sono riusciti a registrare diversi eventi di questo tipo.

Il processo avviene quando un neutrino interagisce con il nucleo di un atomo di 13C, composto da sei protoni e sette neutroni. Il neutrino trasferisce energia a un neutrone, convertendolo in un protone ed emettendo un elettrone. Questo evento viene rilevato dai fotomoltiplicatori grazie alla debole luminescenza prodotta dallo scintillatore. La trasmutazione nucleare trasforma il nucleo in un atomo di azoto-13 (13N), caratterizzato da sette protoni e sei neutroni. L'isotopo 13N è instabile e decade in circa 10 minuti, emettendo un positrone, che a sua volta produce un'ulteriore emissione luminosa nello scintillatore. La rilevazione di due lampi di luce distinti entro un determinato intervallo temporale è la firma inequivocabile della trasmutazione del 13C in 13N.

Durante un periodo di osservazione di 231 giorni, compreso tra maggio 2022 e giugno 2023, sono stati registrati 60 eventi candidati. Un'analisi statistica ha permesso di isolare 5,6 eventi effettivamente attribuibili all'interazione con neutrini, un valore molto vicino alle 4,7 interazioni previste teoricamente. Questa misurazione rappresenta la misurazione diretta a più bassa energia della sezione d'urto di questa reazione. La scoperta conferma le previsioni teoriche riguardanti le interazioni deboli dei neutrini a basse energie e apre la strada all'utilizzo dei neutrini solari come un