Borexino-detektoren, et hyperfølsomt instrument dybt nede under jorden i Italien, er endelig lykkedes med den næsten umulige opgave at detektere CNO-neutrinoer fra solens kerne. Disse lidet kendte partikler afslører den sidste manglende detalje i den fusionscyklus, der driver vores sol og andre stjerner, og kan give svar på stadig uløste spørgsmål om solens sammensætning. Credit: Borexino Collaboration
Et hyperfølsomt instrument dybt under jorden i Italien er endelig lykkedes med den næsten umulige opgave at detektere CNO-neutrinoer (små partikler, der peger på tilstedeværelsen af kulstof, kvælstof og ilt) fra vores solkerne. Disse lidet kendte partikler afslører den sidste manglende detalje i den fusionscyklus, der driver vores sol og andre stjerner.
I de resultater, der blev offentliggjort den 26. november 2020 i tidsskriftet Nature (og som er med på forsiden), rapporterer forskerne fra Borexino-samarbejdet om de første detektioner af denne sjældne type neutrinoer, der kaldes “spøgelsespartikler”, fordi de passerer gennem det meste stof uden at efterlade spor.
Neutrinoerne blev detekteret af Borexino-detektoren, et enormt underjordisk eksperiment i det centrale Italien. Det multinationale projekt støttes i USA af National Science Foundation i henhold til en fælles bevilling, som overvåges af Frank Calaprice, professor i fysik emeritus på Princeton, Andrea Pocar, en alumne fra Princeton fra 2003 og professor i fysik på University of Massachusetts-Amherst, og Bruce Vogelaar, professor i fysik på Virginia Polytechnical Institute and State University (Virginia Tech).
Detektering af “spøgelsespartikler” bekræfter forudsigelser fra 1930’erne om, at en del af solens energi stammer fra en kæde af reaktioner, der involverer kulstof, nitrogen og oxygen (CNO). Denne reaktion producerer mindre end 1 % af solens energi, men man mener, at den er den primære energikilde i større stjerner. Denne proces frigør to neutrinoer – de letteste kendte elementarpartikler af stof – samt andre subatomare partikler og energi. Den mere omfattende proces for fusion af brint til helium frigiver også neutrinoer, men deres spektrale signaturer er forskellige, hvilket gør det muligt for forskerne at skelne mellem dem.
“Bekræftelsen af CNO-forbrænding i vores sol, hvor den kun fungerer på et niveau på 1 %, styrker vores tillid til, at vi forstår, hvordan stjerner fungerer,” siger Calaprice, der er en af ophavsmændene til og hovedforskerne bag Borexino.
CNO-neutrinoer: I en stor del af deres liv får stjerner energi ved at smelte brint til helium. I stjerner som vores sol sker dette overvejende gennem proton-proton-kæder. I tungere og varmere stjerner katalyserer kulstof og nitrogen imidlertid brintforbrænding og frigiver CNO-neutrinoer. Når vi finder neutrinos, kan vi se, hvordan det foregår dybt inde i solens indre. Da Borexino-detektoren opdagede proton-proton-neutrinos, vakte nyheden opsigt i den videnskabelige verden.
Men CNO-neutrinoer bekræfter ikke kun, at CNO-processen er i gang inde i solen, de kan også hjælpe med at løse et vigtigt åbent spørgsmål inden for stjernernes fysik: hvor meget af solens indre består af “metaller”, som astrofysikere definerer som alle elementer, der er tungere end brint eller helium, og om kernen har samme “metallicitet” som solens overflade eller ydre lag.
Det er desværre yderst vanskeligt at måle neutrinoer. Mere end 400 milliarder af dem rammer hver kvadratcentimeter af Jordens overflade hvert sekund, men stort set alle disse “spøgelsespartikler” passerer gennem hele planeten uden at interagere med noget, hvilket tvinger forskerne til at anvende meget store og meget omhyggeligt beskyttede instrumenter for at detektere dem.
Borexino-detektoren ligger en halv mil under Apenninerne i det centrale Italien i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) under Italiens nationale institut for kernefysik, hvor en gigantisk nylonballon – ca. 30 fod i diameter – fyldt med 300 tons ultrarene flydende kulbrinter holdes i et kugleformet kammer med flere lag, der er nedsænket i vand. En lille brøkdel af de neutrinoer, der passerer gennem planeten, vil prelle af på elektroner i disse kulbrinter og producere lysglimt, som kan detekteres af fotonsensorer, der er placeret i vandtanken. Den store dybde, størrelse og renhed gør Borexino til en helt unik detektor til denne type videnskab.
Borexino-projektet blev indledt i begyndelsen af 1990’erne af en gruppe fysikere under ledelse af Calaprice, Gianpaolo Bellini fra universitetet i Milano og den afdøde Raju Raghavan (dengang ved Bell Labs). I løbet af de sidste 30 år har forskere over hele verden bidraget til at finde proton-proton-kæden af neutrinoer, og for ca. fem år siden indledte holdet jagten på CNO-neutrinoer.
Undertrykkelse af baggrunden
“De sidste 30 år har handlet om at undertrykke den radioaktive baggrund,” sagde Calaprice.
De fleste af de neutrinoer, som Borexino har fundet, er proton-proton-neutrinoer, men nogle få er genkendeligt CNO-neutrinoer. Desværre ligner CNO-neutrinoer partikler, der produceres ved det radioaktive henfald af polonium-210, en isotop, der lækker fra den gigantiske nylonballon. At adskille solens neutrinoer fra poloniumforureningen krævede en omhyggelig indsats, ledet af Princeton-forskere, som begyndte i 2014. Da det ikke kunne forhindres, at strålingen lækkede ud af ballonen, fandt forskerne en anden løsning: de ignorerede signaler fra den forurenede yderkant af kuglen og beskyttede det dybe indre af ballonen. Det krævede, at de dramatisk sænkede hastigheden af væskens bevægelse i ballonen. Det meste væskestrømning drives af varmeforskelle, så det amerikanske hold arbejdede på at opnå en meget stabil temperaturprofil for tanken og kulbrinterne for at gøre væsken så rolig som muligt. Temperaturen blev præcist kortlagt af en række temperatursonder, der blev installeret af Virginia Tech-gruppen under ledelse af Vogelaar.
“Hvis denne bevægelse kunne reduceres tilstrækkeligt, kunne vi så observere de forventede ca. fem lav-energirefleksioner om dagen, der skyldes CNO-neutrinoer,” sagde Calaprice. “Til reference oplever en kubikfod ‘frisk luft’ – som er tusind gange mindre tæt end kulbrintevæsken – omkring 100.000 radioaktive henfald om dagen, hovedsagelig fra radongas.”
For at sikre stilhed i væsken udviklede forskere og ingeniører fra Princeton og Virginia Tech i 2014 og 2015 hardware til at isolere detektoren – i det væsentlige et kæmpe tæppe til at vikle sig omkring den – og derefter tilføjede de tre varmekredsløb, der opretholder en perfekt stabil temperatur. Det lykkedes dem at kontrollere temperaturen i detektoren, men sæsonbestemte temperaturændringer i hal C, hvor Borexino er placeret, fik stadig små væskestrømme til at fortsætte, hvilket slørede CNO-signalet.
Så to Princeton-ingeniører, Antonio Di Ludovico og Lidio Pietrofaccia, arbejdede sammen med LNGS-medarbejderingeniør Graziano Panella for at skabe et særligt luftbehandlingssystem, der opretholder en stabil lufttemperatur i hal C. Det aktive temperaturkontrolsystem (ATCS), der blev udviklet i slutningen af 2019, skabte endelig tilstrækkelig termisk stabilitet uden for og inde i ballonen til at dæmpe strømmene inde i detektoren, hvilket endelig forhindrede, at de kontaminerende isotoper blev transporteret fra ballonvæggene ind i detektorens kerne.
Samarbejdet gav pote.
“Elimineringen af denne radioaktive baggrund skabte en lav baggrundsregion i Borexino, som gjorde det muligt at måle CNO-neutrinoer,” sagde Calaprice.
“Dataene bliver bedre og bedre”
Hvor CNO-neutrinoopdagelsen fandt sted, havde laboratoriet planlagt at afslutte Borexino-driften ved udgangen af 2020. Nu ser det ud til, at dataindsamlingen kan strække sig helt ind i 2021.
Mængden af stillestående kulbrinter i hjertet af Borexino-detektoren er fortsat med at vokse i størrelse siden februar 2020, hvor dataene til Nature-artiklen blev indsamlet. Det betyder, at der ud over at afsløre CNO-neutrinoer, som er emnet for denne uges Nature-artikel, nu også er mulighed for at hjælpe med at løse “metallicitetsproblemet” – spørgsmålet om, hvorvidt solens kerne, ydre lag og overflade alle har den samme koncentration af grundstoffer, der er tungere end helium eller brint.
“Vi er fortsat med at indsamle data, mens den centrale renhed er fortsat med at blive bedre, hvilket gør et nyt resultat med fokus på metallicitet til en reel mulighed,” siger Calaprice. “Ikke alene indsamler vi stadig data, men dataene bliver bedre og bedre.”
For mere om denne forskning:
- Neutrinoer giver de første eksperimentelle beviser for universets CNO-energiproduktionsmekanisme
- Forståelse af vores sols “brintbrændende” kraft
Reference: “Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun” af The Borexino Collaboration, 25. november 2020, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-020-2934-0
Andre Princetonianere på Borexino-holdet omfatter Jay Benziger, professor emeritus i kemisk og biologisk ingeniørvidenskab, som har designet den superrensede detektorvæske; Cristiano Galbiati, professor i fysik; Paul LaMarche, nu viceprovost for rumprogrammering og planlægning, som var Borexinos oprindelige projektleder; XueFeng Ding, postdoktoral forskningsmedarbejder i fysik; og Andrea Ianni, projektleder i fysik.
Som mange af forskerne og ingeniørerne i Borexino-kollektivet fik Vogelaar og Pocar deres start på projektet, mens de arbejdede i Calaprices laboratorium på Princeton. Vogelaar arbejdede på nylonballonen, mens han var forsker og derefter assisterende professor på Princeton, og på kalibreringen, detektorovervågningen og den væskedynamiske modellering og termiske stabilisering på Virginia Tech. Pocar arbejdede på design og konstruktion af nylonballonen og idriftsættelse af væskehåndteringssystemet på Princeton. Senere arbejdede han sammen med sine studerende på UMass-Amherst med dataanalyse og teknikker til karakterisering af baggrunden for CNO- og andre målinger af solneutrinoer.
Dette arbejde blev i USA støttet af National Science Foundation, Princeton University, University of Massachusetts og Virginia Tech. Borexino er et internationalt samarbejde, der også finansieres af det italienske nationale institut for kernefysik (INFN) og af finansieringsorganer i Tyskland, Rusland og Polen.