Borexino es un experimento de física de partículas que tiene como objetivo estudiar neutrinos de bajas energías (menores de 1 MeV).[1]
El detector es el calorímetro de centelleador líquido más radio-puro del mundo, encargado de detectar neutrinos a través de su dispersión elástica en los electrones de las moléculas aromáticas del centelleador, que emiten señales luminosas digitalizables para su posterior análisis. El detector está contenido en una esfera de acero inoxidable de 13.7 m de diámetro, que se encarga también de servir de soporte mecánico para más de 2200 fotomultiplicadores (PMTs), y está protegido por un Tanque de Agua que le sirve de escudo frente a radiactividad natural externa y se encarga de identificar muones cósmicos que consiguen atravesar la gran masa de montaña bajo la que se encuentra.
El propósito principal del experimento es medir el flujo de neutrinos solares con alta precisión, en particular los provenientes del decaimiento radioactivo de berilio-7 en el Sol. Esta medición permite profundizar el conocimiento de los procesos de fusión nuclear que se dan en el centro del Sol (por ej., las reacciones nucleares en sí, la composición solar, la opacidad de sus componentes, distribución de materia...), y también ayuda a determinar propiedades de la propagación y oscilación de neutrinos, entre ellas el "efecto materia" (Mikheyev–Smirnov–Wolfenstein). Otros objetivos del experimento incluyen la detección de neutrinos solares producidos por el boro-8, las cadenas pp y pep y el ciclo CNO, como también de antineutrinos procedentes de la Tierra y de centrales nucleares alrededor del mundo. Es también posible que Borexino detecte neutrinos producidos por supernovas dentro de nuestra galaxia.[2] Por lo tanto, Borexino es miembro de SNEWS (Sistema de Alerta Temprana de Supernovas).[3] Además de todo ello, sus datos se utilizan para búsquedas de procesos raros y partículas aún desconocidas.
El experimento está situado en los Laboratorios Nacionales del Gran Sasso (LNGS), cerca de L'Aquila, Italia, y está patrocinado por una colaboración internacional con investigadores de Italia, Estados Unidos, Alemania, Polonia, Francia y Rusia. Borexino es financiado por varias agencias nacionales, incluyendo el Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN) y la Fundación Nacional de Ciencia americana (NSF).[4] En mayo de 2010, Borexino cumplió 10 años desde el inicio de su toma de datos en 2007.
El proyecto SOX (Short-distance neutrino Oscillations with boreXino, u Oscilaciones de neutrinos a Corta distancia con boreXino)[5] se hubiera encargado de estudiar la posible existencia de neutrinos estériles ligeros u otros efectos de oscilación anómalos a cortas distancias (en torno a metros) en la propagación de neutrinos, gracias a una fuente radiactiva situada a corta distancia del experimento. Este proyecto fue cancelado pocos meses antes de dar inicio (finales de 2017) debido a la imposibilidad de contar con una fuente lo suficientemente potente.
El nombre Borexino (o BOREXino, como venía escrito en los primeros documentos de planificación) deriva de la propuesta experimental de BOREX (BORon solar neutrino EXperiment, o EXperimento de neutrinos solares con BORO): un detector más grande (1 kT de masa fiducial, frente al 0.1 kT de masa fiducial actual de Borexino) que usaba un centelleador líquido diferente (TMB, trimetilborato), que finalmente no fue construido por el interés en conseguir mayor radiopureza, más sencillo con un aparato menos masivo, y por consideraciones de financiación.[6]
El proyecto SOX (Short-distance neutrino Oscillations with boreXino) tiene como objetivo la confirmación, o alternativamente el rechazo sin ambigüedad, de las llamadas "anomalías de neutrinos": una serie de pruebas circunstanciales de la desaparición, no explicable con los modelos actuales, de neutrinos electrónicos observada en varios experimentos (LSND, MiniBooNE, detectores alrededor de reactores nucleares, experimentos de detección con galio y fuentes radiactivas como GALLEX y SAGE). Si tiene éxito, SOX demostrará la existencia de componentes estériles (que no interaccionen a través de la interacción electrodébil) que se mezclen con los neutrinos electrónicos, abriendo una nueva era en la física de partículas fundamentales y la cosmología. Una señal sólida en este sentido sería el primer descubrimiento de partículas más allá del Modelo Estándar (BSM), y tendría implicaciones profundas en el conocimiento actual de la física de partículas y del Universo en general. En caso de un resultado negativo, por otra parte, se encargará de cerrar un largo debate sobre la solidez de las anomalías neutrínicas, llevando a cabo una amplia búsqueda de nueva física en las interacciones de neutrinos de baja energía. En cualquiera de los casos, ofrecerá una buena medida del momento magnético del neutrino, el ángulo de Weinberg θW, así como de otros parámetros básicos de la Física. También servirá como una excelente calibración energética de Borexino, lo que sería muy beneficioso para la contextualización de futuras mediciones del experimento.
SOX utilizará un potente (~150 kCi) y innovador generador de antineutrinos electrónicos basado en el cerio/praseodimio-144 (144Ce/144Pr), y quizás en un futuro otro generador basado en el cromo-51 (que emitiría neutrinos electrónicos y necesitaría un tiempo de medida bastante menor). Este generador será emplazado a poca distancia (8.5 m) del detector: en realidad, bajo él: existe un pequeño túnel construido ex-profeso bajo Borexino antes de que se erigiese el detector, con la idea de que precisamente podría acoger fuentes radioactivas para experimentos que las necesitasen. Este generador proporcionara decenas de miles de interacciones limpias de antineutrinos en el volumen activo de Borexino. El experimento comenzará en la primera mitad de 2018 y tomará datos durante aproximadamente dos años. Una campaña de calorimetría de alta precisión (<1% de incertidumbre en la medida) con dos calorímetros separados se llevería a cabo antes de insertar la fuente en el túnel, al final de la campaña de adquisición de datos y posiblemente en algún momento durante la duración del experimento, para proporcionar una medición precisa e independiente de la actividad de la fuente, de modo que se pueda llevar a cabo un estudio de posibles déficits de flujo con poca incertidumbre. También se han desarrollado técnicas de análisis de la forma de la señal de antineutrinos para incrementar la sensibilidad del experimento, y de tal manera cubrir todo el espacio de fases "anómalo" que aún cuenta con suficiente relevancia estadística, donde podrían hallarse neutrinos estériles ligeros.
En octubre de 2017, una prueba de transporte "en blanco" (sin material radiactivo) se llevó a cabo con éxito en las inmediaciones de Borexino en los LNGS,[31] para cubrir los últimos pasos requeridos por las regulaciones vigentes antes de que llegase la fuente verdadera. Sin embargo, a finales de 2017 se dieron a conocer públicamente problemas con la fabricación de la ceria (óxido de cerio (IV) o CeO2) para el generador de antineutrinos de CeSOX por parte del conglomerado estatal ruso PA Mayak. Estos problemas significaron que el generador no sería capaz de proporcionar un número suficiente de antineutrinos para los propósitos del experimento, lo que llevó a una revisión formal del experimento y su fecha de inicio prevista.[32]