Detektor Borexino, hypercitlivý přístroj hluboko pod zemí v Itálii, konečně uspěl v téměř nemožném úkolu detekovat neutrina CNO z jádra našeho Slunce. Tyto málo známé částice odhalují poslední chybějící detail fúzního cyklu pohánějícího naše Slunce a další hvězdy a mohly by odpovědět na dosud nevyřešené otázky týkající se složení Slunce. Kredit: Borexino Collaboration
Hypersenzitivní přístroj hluboko pod zemí v Itálii konečně uspěl s téměř nemožným úkolem detekovat CNO neutrina (malé částice poukazující na přítomnost uhlíku, dusíku a kyslíku) z jádra našeho Slunce. Tyto málo známé částice odhalují poslední chybějící detail fúzního cyklu pohánějícího naše Slunce a další hvězdy.
Ve výsledcích publikovaných 26. listopadu 2020 v časopise Nature (a uvedených na obálce) badatelé ze spolupráce Borexino hlásí první detekci tohoto vzácného typu neutrin, kterým se říká „částice duchů“, protože procházejí většinou hmoty, aniž by zanechaly stopu.
Neutrina byla detekována detektorem Borexino, obrovským podzemním experimentem ve střední Itálii. Tento mezinárodní projekt je ve Spojených státech podporován Národní vědeckou nadací v rámci společného grantu, na který dohlíží Frank Calaprice, emeritní profesor fyziky na Princetonu, Andrea Pocar, absolventka Princetonu z roku 2003 a profesorka fyziky na University of Massachusetts-Amherst, a Bruce Vogelaar, profesor fyziky na Virginia Polytechnical Institute and State University (Virginia Tech).
Detekce „částic duchů“ potvrzuje předpovědi z 30. let 20. století, že část energie našeho Slunce vzniká v řetězci reakcí, na nichž se podílí uhlík, dusík a kyslík (CNO). Tato reakce produkuje méně než 1 % sluneční energie, ale předpokládá se, že je primárním zdrojem energie u větších hvězd. Při tomto procesu se uvolňují dvě neutrina – nejlehčí známé elementární částice hmoty – a další subatomární částice a energie. Při hojnějším procesu fúze vodíku na helium se také uvolňují neutrina, ale jejich spektrální signatury jsou odlišné, což vědcům umožňuje je rozlišit.
„Potvrzení spalování CNO v našem Slunci, kde funguje pouze na 1% úrovni, posiluje naši jistotu, že rozumíme tomu, jak hvězdy fungují,“ řekl Calaprice, jeden z původců a hlavních řešitelů projektu Borexino.
Neutrina CNO:
Po většinu svého života získávají hvězdy energii slučováním vodíku na helium. Ve hvězdách, jako je naše Slunce, se tak děje převážně prostřednictvím proton-protonových řetězců. V těžších a žhavějších hvězdách však uhlík a dusík katalyzují spalování vodíku a uvolňují neutrina CNO. Nalezení jakýchkoli neutrin nám pomáhá nahlédnout do dění hluboko v nitru Slunce; když detektor Borexino objevil proton-protonová neutrina, zpráva rozzářila vědecký svět.
Neutrina CNO však nejen potvrzují, že ve Slunci probíhá proces CNO, ale mohou také pomoci vyřešit důležitou otevřenou otázku ve hvězdné fyzice: jak velká část slunečního nitra je tvořena „kovy“, které astrofyzici definují jako všechny prvky těžší než vodík nebo helium, a zda „metalicita“ jádra odpovídá metalicitě povrchu nebo vnějších vrstev Slunce.
Naneštěstí je měření neutrin nesmírně obtížné. Každou sekundu jich na každý čtvereční centimetr zemského povrchu dopadne více než 400 miliard, avšak prakticky všechny tyto „částice duchů“ projdou celou planetou, aniž by s něčím interagovaly, což nutí vědce využívat k jejich detekci velmi velké a velmi pečlivě chráněné přístroje.
Detektor Borexino leží půl míle pod Apeninským pohořím ve střední Itálii, v Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) italského Národního ústavu pro jadernou fyziku, kde je v několikavrstvé kulové komoře ponořené do vody umístěn obří nylonový balón – o průměru asi 30 metrů – naplněný 300 tunami ultračistých kapalných uhlovodíků. Malá část neutrin, která projdou planetou, se odrazí od elektronů v těchto uhlovodících a vytvoří světelné záblesky, které mohou detekovat fotonové senzory lemující vodní nádrž. Velká hloubka, velikost a čistota činí z Borexina skutečně unikátní detektor pro tento typ vědy.
Projekt Borexino byl iniciován počátkem 90. let 20. století skupinou fyziků pod vedením Calaprice, Gianpaola Belliniho z Milánské univerzity a zesnulého Raju Raghavana (tehdy v Bellových laboratořích). Během uplynulých 30 let přispěli vědci z celého světa k nalezení proton-protonového řetězce neutrin a zhruba před pěti lety tým zahájil pátrání po CNO neutrinech.
Potlačení pozadí
„Posledních 30 let bylo o potlačení radioaktivního pozadí,“ řekl Calaprice.
Většina neutrin detekovaných pomocí Borexina jsou proton-protonová neutrina, ale několik z nich jsou rozpoznatelná CNO neutrina. Neutrina CNO se bohužel podobají částicím vznikajícím při radioaktivním rozpadu izotopu polonia-210, který uniká z obřího nylonového balónu. Oddělení slunečních neutrin od kontaminace poloniem si vyžádalo pečlivé úsilí pod vedením vědců z Princetonu, které začalo v roce 2014. Protože nebylo možné zabránit úniku záření z balonu, našli vědci jiné řešení: ignorovat signály z kontaminovaného vnějšího okraje koule a chránit hluboký vnitřek balonu. To vyžadovalo, aby výrazně zpomalili rychlost pohybu tekutiny uvnitř balonu. Většina proudění tekutiny je poháněna tepelnými rozdíly, takže americký tým pracoval na dosažení velmi stabilního teplotního profilu nádrže a uhlovodíků, aby byla tekutina co nejstálejší. Teplota byla přesně zmapována soustavou teplotních sond instalovaných skupinou Virginia Tech pod vedením Vogelaara.
„Pokud by se tento pohyb podařilo dostatečně snížit, mohli bychom pak pozorovat očekávaných asi pět nízkoenergetických zpětných rázů za den, které jsou způsobeny neutriny CNO,“ řekl Calaprice. „Pro srovnání, metr krychlový ‚čerstvého vzduchu‘ – který má tisíckrát menší hustotu než uhlovodíková kapalina – zažije asi 100 000 radioaktivních odskoků za den, většinou z plynného radonu.“
Pro zajištění klidu v kapalině vyvinuli vědci a inženýři z Princetonu a Virginské techniky v letech 2014 a 2015 hardware pro izolaci detektoru – v podstatě obří deku, kterou jej obepnuli – a poté přidali tři topné okruhy, které udržují dokonale stabilní teplotu. Těm se podařilo kontrolovat teplotu detektoru, ale sezónní změny teploty v pavilonu C, kde je Borexino umístěno, stále způsobovaly přetrvávání drobných proudů tekutiny, které zastíraly signál CNO.
Dva princetonští inženýři, Antonio Di Ludovico a Lidio Pietrofaccia, proto spolupracovali s pracovníkem LNGS, inženýrem Grazianem Panellou, na vytvoření speciálního vzduchotechnického systému, který udržuje v pavilonu C stabilní teplotu vzduchu. Systém aktivního řízení teploty (ATCS), vyvinutý na konci roku 2019, nakonec zajistil dostatečnou tepelnou stabilitu vně i uvnitř balonu, aby se proudy uvnitř detektoru ztišily a konečně se zabránilo tomu, aby se kontaminující izotopy přenesly ze stěn balonu do jádra detektoru.
Úsilí se vyplatilo.
„Odstranění tohoto radioaktivního pozadí vytvořilo v Borexinu oblast s nízkým pozadím, která umožnila měření neutrin CNO,“ řekl Calaprice.
„Data jsou stále lepší a lepší.“
Před objevem neutrin CNO laboratoř plánovala ukončit provoz Borexina na konci roku 2020. Nyní se zdá, že sběr dat by se mohl protáhnout až do roku 2021.
Objem nehybných uhlovodíků v srdci detektoru Borexino se od února 2020, kdy byla shromážděna data pro článek v Nature, stále zvětšuje. To znamená, že kromě odhalení neutrin CNO, která jsou předmětem článku v Nature z tohoto týdne, je zde nyní potenciál pomoci vyřešit také problém „metalicity“ – otázku, zda jádro, vnější vrstvy a povrch Slunce mají stejnou koncentraci prvků těžších než helium nebo vodík.
„Pokračovali jsme ve sběru dat, protože centrální čistota se stále zlepšovala, takže nový výsledek zaměřený na metalicitu je reálnou možností,“ řekl Calaprice. „Nejenže stále sbíráme data, ale data jsou stále lepší a lepší.“
Více o tomto výzkumu:
- Neutrina přinášejí první experimentální důkaz mechanismu výroby energie CNO ve vesmíru
- Pochopení „vodíkové spalovací“ síly našeho Slunce
Odkaz: „Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun“ by The Borexino Collaboration, 25 November 2020, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-020-2934-0
Dalšími členy princetonského týmu Borexino jsou Jay Benziger, emeritní profesor chemického a biologického inženýrství, který navrhl superčistou kapalinu detektoru, Cristiano Galbiati, profesor fyziky, Paul LaMarche, nyní prorektor pro vesmírné programování a plánování, který byl původním vedoucím projektu Borexino, XueFeng Ding, postdoktorandský výzkumný pracovník v oblasti fyziky, a Andrea Ianni, vedoucí projektu v oblasti fyziky.
Stejně jako mnoho vědců a inženýrů v kolektivu Borexino, i Vogelaar a Pocar začali pracovat na projektu v Calapriceově laboratoři v Princetonu. Vogelaar pracoval na nylonovém balónu v době, kdy byl výzkumným pracovníkem a poté docentem na Princetonu, a na kalibraci, monitorování detektoru a modelování dynamiky tekutin a tepelné stabilizaci na Virginské technice. Pocar pracoval na návrhu a konstrukci nylonového balonu a na uvedení systému manipulace s kapalinou do provozu v Princetonu. Později pracoval se svými studenty na UMass-Amherst na analýze dat a technikách charakterizace pozadí pro CNO a další měření slunečních neutrin.
Tato práce byla v USA podporována National Science Foundation, Princetonskou univerzitou, Massachusettskou univerzitou a Virginia Tech. Borexino je mezinárodní spolupráce financovaná také italským Národním institutem pro jadernou fyziku (INFN) a finančními agenturami v Německu, Rusku a Polsku.