Oggetto dell'esperimento sono i neutrini di bassa energia provenienti dal Sole, che forniscono importanti informazioni sulle reazioni che avvengono all'interno della nostra stella madre; ma l'esperimento si occupa anche dello studio dei neutrini provenienti dal centro della Terra, i geoneutrini, le particelle 
di materia più piccole del mondo, che permettono di approfondire la conoscenza della struttura interna del nostro pianeta.
I neutrini vengono prodotti dalle reazioni nucleari nel centro del sole e sono difficilmente rilevabili perché interagiscono con la materia solo tramite le interazioni deboli; grazie alla sua sensibilità unica Borexino ha abbassato più di 10 volte la soglia di energia a cui oggi li osserviamo e “ascoltiamo” in tempo reale. E', infatti, l’unico esperimento al mondo in grado di rivelare in tempo reale neutrini con un’energia minore a 1 MeV, per questo ha reso possibili le più precise misure dei neutrini solari mai realizzate.
I neutrini prodotti in una piccola regione attorno al centro del Sole ne escono indisturbati in circa 3 secondi, interagiscono pochissimo con la materia che li circonda e mantengono intatte le informazioni sui processi che li hanno generati. Al contrario, la luce impiega più di 100mila anni per compiere lo stesso percorso, subendo molte interazioni che alterano le informazioni sulla sua natura.
Per questo motivo i neutrini sono un messaggero privilegiato di quanto avviene nel cuore del Sole, sono in grado di portare fino a noi precise informazioni sul suo funzionamento, e Borexino è in grado di rivelarne circa 50 al giorno.
La modalità di funzionamento di Borexino è analoga a quella di esperimenti precedenti, come SNO in Canada e Superkamiokande in Giappone, tuttavia questi hanno osservato solo i neutrini di alta energia provenienti da una catena di reazioni nucleari, che contribuiscono solo a una piccola parte dell’emissione solare che investe la Terra. I neutrini solari a bassissima energia, costituiscono invece oltre il 90% dei 60 miliardi di neutrini per centimetro quadrato emessi dal sole ogni secondo.
L’apparato è costituito da sfere concentriche contenenti liquido scintillatore e fotomoltiplicatori che raccolgono il bagliore emesso dai neutrini quando interagiscono con il liquido scintillatore. La particolare sensibilità di Borexino è resa possibile da una innovativa tecnologia che permette di abbassare la radioattività naturale nel rivelatore a livelli mai raggiunti prima, rendendo Borexino il rilevatore più puro esistente al mondo. E' proprio questa tecnologia che gli permette di ascoltare i debolissimi segnali emessi dai neutrini di bassa energia, che altrimenti verrebbero mascherati dai segnali della radioattività ambientale.
Nel loro percorso dal cuore del Sole fino alla Terra, i neutrini sono inoltre soggetti al fenomeno dell’oscillazione: un neutrino può trasformarsi in altre particelle della stessa famiglia, senza mantenere memoria della propria origine, ad esempio, diventare di tipo muonico, sebbene sia stato generato da un elettrone, o elettronico anche se deriva da un “padre” muone.
Le osservazioni di Borexino di neutrini di bassa energia hanno consentito il confronto dell’oscillazione dei neutrini nella materia e nel vuoto, con una misura che fino ad oggi non era mai stata realizzata. Come spiega il responsabile della collaborazione internazionale, Gianpaolo Bellini, dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, l’oscillazione dei neutrini è un fenomeno di “nuova fisica”, ovvero non previsto dal Modello Standard delle particelle elementari, di cui molti aspetti sono ancora da chiarire, i risultati di Borexino sono dunque tra i più importanti ottenuti in fisica delle particelle negli ultimi anni.
Uno dei recenti risultati dell'esperimento riguarda proprio il fenomeno dell'oscillazione, in particolare le differenze nel flusso di neutrini durante il giorno e la notte. Finora si credeva che i neutrini registrati dal rilevatore durante la notte dopo aver attraversato la materia terrestre potessero trasformarsi in altri tipi di neutrini. L'esperimento ha invece dimostrato che il flusso di neutrini è immutato durante il giorno e la notte e quindi la Terra, a quelle energie, non influenza il fenomeno dell'oscillazione.
Si tratta della prima determinazione dei parametri di oscillazione dei neutrini effettuata unicamente con misure di neutrini, senza l'utilizzo delle misure di antineutrini prodotti da reattori nucleari, come nell’esperimento Kamland in Giappone. In questo modo Borexino ha eliminato l’eventuale interferenza dovuta a possibili differenze nelle oscillazioni di neutrini e antineutrini, ancora da verificare.
Infine, i dati dell'esperimento mostrano la misura ad oggi più accurata dei flussi solari di neutrini prodotti da reazioni nucleari del Sole che coinvolgono Berillio.
