Borexino-ilmaisin, yliherkkä instrumentti syvällä maan alla Italiassa, on vihdoin onnistunut lähes mahdottomassa tehtävässä havaita CNO-neutriinoja aurinkomme ytimestä. Nämä vähän tunnetut hiukkaset paljastavat viimeisen puuttuvan yksityiskohdan auringon ja muiden tähtien voimanlähteenä toimivasta fuusiokierrosta, ja ne voivat vastata yhä avoinna oleviin kysymyksiin auringon koostumuksesta. Credit: Borexino Collaboration
Yliherkkä instrumentti syvällä maan alla Italiassa on vihdoin onnistunut lähes mahdottomassa tehtävässä havaita CNO-neutriinoja (pieniä hiukkasia, jotka viittaavat hiilen, typen ja hapen läsnäoloon) aurinkomme ytimestä. Nämä vähän tunnetut hiukkaset paljastavat viimeisen puuttuvan yksityiskohdan auringon ja muiden tähtien voimanlähteenä toimivasta fuusiokierrosta.
Borexino-yhteistyön tutkijat raportoivat 26. marraskuuta 2020 Nature-lehdessä julkaistuissa tuloksissa (ja kannessa esitetyissä) ensimmäisistä havainnoista, jotka koskevat tämän harvinaisen neutriinotyypin havaitsemista. Neutriinoja kutsutaan ”haamuhiukkasiksi”, koska ne kulkevat suurimman osan materiasta läpi jättämättä jälkiä.
Neutriinot havainnoitiin keskisessä Italiassa sijaitsevassa valtavassa maanalaisessa kokeilussa (englanninkielinen nimi on ”ghost particles”
). Monikansallista hanketta tukee Yhdysvalloissa National Science Foundation jaetulla apurahalla, jota valvovat Princetonin emeritusprofessori Frank Calaprice, Princetonin vuonna 2003 valmistunut alumni Andrea Pocar, joka on Massachusetts-Amherstin yliopiston fysiikan professori, ja Virginia Polytechnical Institute and State Universityn (Virginia Tech) fysiikan professori Bruce Vogelaar.
”Haamuhiukkasen” havaitseminen vahvistaa 1930-luvulla tehdyt ennusteet siitä, että osa aurinkomme energiasta syntyy hiilen, typen ja hapen (CNO) reaktioketjussa. Tämä reaktio tuottaa alle 1 % auringon energiasta, mutta sen uskotaan olevan ensisijainen energianlähde suuremmissa tähdissä. Tässä prosessissa vapautuu kaksi neutriinoa – aineen kevyimmät tunnetut alkeishiukkaset – sekä muita subatomisia hiukkasia ja energiaa. Runsaampi vedyn ja heliumin fuusioprosessi vapauttaa myös neutriinoja, mutta niiden spektrijäljet ovat erilaiset, minkä ansiosta tutkijat pystyvät erottamaan ne toisistaan.
”CNO:n palamisen vahvistaminen auringossamme, jossa se toimii vain 1 prosentin tasolla, vahvistaa luottamustamme siihen, että ymmärrämme, miten tähdet toimivat”, sanoo Calaprice, joka on yksi Borexinon ideoijista ja päätutkijoista.
CNO-neutriinot: Ikkunat aurinkoon
Tähdet saavat suurimman osan elämästään energiaa fuusioimalla vetyä heliumiksi. Aurinkomme kaltaisissa tähdissä tämä tapahtuu pääasiassa protoni-protoniketjujen kautta. Raskaammissa ja kuumemmissa tähdissä hiili ja typpi kuitenkin katalysoivat vedyn palamista ja vapauttavat CNO-neutriinoja. Kaikkien neutriinojen löytäminen auttaa meitä kurkistamaan syvälle auringon sisimpään; kun Borexino-ilmaisin löysi protoni-protonineutriinoja, uutinen herätti valoa tiedemaailmassa.
Mutta CNO-neutriinot eivät ainoastaan vahvista, että CNO-prosessi on toiminnassa Auringon sisällä, vaan ne voivat myös auttaa ratkaisemaan tärkeän avoimen kysymyksen tähtifysiikassa: kuinka suuri osa Auringon sisuksista koostuu ”metalleista”, jotka astrofyysikot määrittelevät vetyä tai heliumia raskaammiksi alkuaineiksi, ja vastaako ytimen ”metallipitoisuus” Auringon pinnan tai uloimpien kerrostumien ”metallipitoisuutta”.
Pahaksi onnettomuudeksi neutriinot ovat äärimmäisen vaikeita mitata. Yli 400 miljardia niistä osuu jokaiseen neliösenttimetriin maapallon pinnalla joka sekunti, mutta käytännössä kaikki nämä ”haamuhiukkaset” kulkevat koko planeetan läpi vuorovaikuttamatta minkään kanssa, mikä pakottaa tiedemiehet käyttämään hyvin suuria ja hyvin tarkoin suojattuja instrumentteja niiden havaitsemiseksi.
Borexino-ilmaisin sijaitsee puolen kilometrin syvyydessä Apenniinivuorten alla Keski-Italiassa, Italian kansallisen ydinfysiikan instituutin Laboratori Nazionali del Gran Sasson (LNGS) laboratoriossa, jossa 300 tonnilla erittäin puhtaita nestemäisiä hiilivetyjä täytettyä jättimäistä nailonilmapalloa – jonka läpimitta on noin 30 jalkaa – pidetään monikerroksisessa pallonmuotoisessa kammiossa, joka on upotettu veteen. Pieni osa planeetan läpi kulkevista neutriinoista kimpoaa näissä hiilivedyissä olevista elektroneista ja tuottaa valonvälähdyksiä, jotka voidaan havaita vesisäiliötä reunustavilla fotoniantureilla. Suuri syvyys, koko ja puhtaus tekevät Borexinosta todella ainutlaatuisen ilmaisimen tämäntyyppiseen tieteeseen.
Borexino-projektin aloitti 1990-luvun alussa Calapricen, Milanon yliopistossa työskentelevän Gianpaolo Bellinin ja edesmenneen Raju Raghavanin (tuolloin Bell Labsissa) johtama fyysikkojen ryhmä. Viimeisten 30 vuoden aikana tutkijat ympäri maailmaa ovat osallistuneet neutriinojen protoni-protoniketjun löytämiseen, ja noin viisi vuotta sitten ryhmä aloitti CNO-neutriinojen metsästyksen.
Taustan tukahduttaminen
”Viimeisten 30 vuoden aikana on ollut kyse radioaktiivisen taustan tukahduttamisesta”, Calaprice sanoi.
Borexinon havaitsemat neutriinot ovat enimmäkseen protoni-protoni-neutriinoja, mutta muutama niistä on tunnistettavasti CNO-neutriino. Valitettavasti CNO-neutriinot muistuttavat hiukkasia, jotka syntyvät jättimäisestä nailonpallosta vuotavan polonium-210-isotoopin radioaktiivisen hajoamisen seurauksena. Auringon neutriinojen erottaminen poloniumsaasteesta vaati Princetonin tutkijoiden johtaman pikkutarkan työn, joka alkoi vuonna 2014. Koska säteilyä ei voitu estää vuotamasta pallosta ulos, tutkijat löysivät toisen ratkaisun: jätettiin huomiotta pallon saastuneen ulkoreunan signaalit ja suojattiin pallon syvää sisustaa. Tämä edellytti, että he hidastivat dramaattisesti nesteen liikkumisnopeutta pallon sisällä. Suurin osa nestevirtauksesta johtuu lämpöeroista, joten yhdysvaltalainen ryhmä pyrki saamaan säiliön ja hiilivetyjen lämpötilaprofiilin hyvin vakaaksi, jotta neste olisi mahdollisimman liikkumatonta. Lämpötila kartoitettiin tarkasti Vogelaarin johtaman Virginia Tech -ryhmän asentamien lämpötila-antureiden avulla.
”Jos tätä liikettä pystyttäisiin vähentämään tarpeeksi, voisimme silloin havaita noin viisi odotettua matalaenergistä rekyyliä päivässä, jotka johtuvat CNO-neutriinoista”, Calaprice sanoi. ”Vertailun vuoksi mainittakoon, että kuutiometri ’raitista ilmaa’ – joka on tuhat kertaa vähemmän tiheää kuin hiilivetyneste – kokee noin 100 000 radioaktiivista hajoamista päivässä, jotka johtuvat enimmäkseen radonkaasusta.”
Varmistaakseen nesteen sisällä vallitsevan hiljaisuuden Princetonin ja Virginian teknillisen korkeakoulun tiedemiehet ja insinöörit kehittelivät vuosina 2014 ja 2015 laitteiston, jolla ilmaisin eristetään – pohjimmiltaan jättimäisen peiton, joka voidaan kietaista ilmaisimen ympärille – ja sen jälkeen lisäsivät laitteistoon kolme lämmityspiiriä, jotka ylläpitävät täydellisen vakaan lämpötilan. Niillä onnistuttiin hallitsemaan detektorin lämpötilaa, mutta kausittaiset lämpötilavaihtelut hallissa C, jossa Borexino sijaitsee, aiheuttivat edelleen pieniä nestevirtoja, jotka peittivät CNO-signaalin.
Niinpä kaksi Princetonin insinööriä, Antonio Di Ludovico ja Lidio Pietrofaccia, työskentelivät LNGS:n henkilökunnan insinöörin Graziano Panellan kanssa luodakseen erityisen ilmankäsittelyjärjestelmän, joka ylläpitää vakaata ilman lämpötilaa hallissa C. Vuoden 2019 lopussa kehitetty aktiivinen lämpötilan säätöjärjestelmä (ATCS, Active Temperature Control System) tuotti lopulta riittävän lämpöstabiiliuden ilmapallon ulkopuolelle ja sisälle, jotta detektorin sisäiset virtaukset saatiin hiljennettyä, jolloin saastuttavat isotoopit eivät vihdoin pääse kulkeutumaan ilmapallon seinämiltä detektorin ytimeen.
Ponnistus kannatti.
”Tämän radioaktiivisen taustan poistaminen loi Borexinon matalan tausta-alueen, joka mahdollisti CNO-neutriinojen mittaamisen”, Calaprice sanoi.
”Data paranee ja paranee.”
Ennen CNO-neutriinolöytöä laboratorio oli suunnitellut lopettavansa Borexinon toiminnan vuoden 2020 lopussa. Nyt näyttää siltä, että tiedonkeruu voi jatkua vuoteen 2021 asti.
Borexino-ilmaisimen ytimessä olevien liikkumattomien hiilivetyjen määrä on jatkanut kasvuaan helmikuusta 2020 lähtien, jolloin Nature-lehteä varten kerättiin tietoja. Tämä tarkoittaa, että tämän viikon Nature-artikkelin aiheena olevien CNO-neutriinojen paljastamisen lisäksi on nyt mahdollista auttaa ratkaisemaan myös ”metallikkyysongelma” – kysymys siitä, onko auringon ytimessä, ulommissa kerroksissa ja pinnalla kaikissa sama pitoisuus heliumia tai vetyä raskaampia alkuaineita.
”Olemme jatkaneet datan keräämistä, kun keskipuhtaus on jatkanut parantumistaan, mikä tekee uudesta metallikkyydelle keskittyvästä tuloksesta todellisen mahdollisen”
, Calaprice sanoi. ”Emme ainoastaan kerää edelleen dataa, vaan data paranee ja paranee.”
Lisätietoa tästä tutkimuksesta:
- Neutriinot tuottavat ensimmäiset kokeelliset todisteet maailmankaikkeuden CNO-energian tuotantomekanismista
- Ymmärtääksemme Aurinkomme ”vetyä polttavaa” voimaa
Viite: ”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
Borexino-tiimin muita princetonilaisia ovat muun muassa kemiallisen ja biologisen tekniikan emeritusprofessori Jay Benziger, joka suunnitteli superpuhdistetun detektorinesteen, fysiikan professori Cristiano Galbiati, avaruusohjelmoinnista ja -suunnittelusta vastaava varaproviisori Paul LaMarche, joka toimi alun perin Borexinon projektinjohtajana, fysiikan väitöskirjan jälkeisenä tutkijana työskentelevä fysiikan apulaistutkija XueFeng Ding sekä fysiikan projektinjohtajana työskentelevä fysiikan apulainen Andrea Ianni.
Kuten monet Borexino-kollektiivin tiedemiehet ja insinöörit, Vogelaar ja Pocar aloittivat projektissa ollessaan Calapricen laboratoriossa Princetonissa. Vogelaar työskenteli nailonpallon parissa ollessaan tutkijana ja sittemmin apulaisprofessorina Princetonin yliopistossa ja kalibroinnin, ilmaisimen seurannan sekä nestedynaamisen mallintamisen ja lämpöstabiloinnin parissa Virginia Techissä. Pocar työskenteli Princetonissa nylonpallon suunnittelun ja rakentamisen sekä nestekäsittelyjärjestelmän käyttöönoton parissa. Myöhemmin hän työskenteli opiskelijoidensa kanssa UMass-Amherstissa data-analyysin ja tekniikoiden parissa, joilla luonnehditaan CNO:n ja muiden auringon neutriinomittausten taustoja.
Tätä työtä ovat Yhdysvalloissa tukeneet National Science Foundation, Princetonin yliopisto, Massachusettsin yliopisto ja Virginia Tech. Borexino on kansainvälinen yhteistyö, jota rahoittavat myös Italian kansallinen ydinfysiikan instituutti (INFN) sekä Saksan, Venäjän ja Puolan rahoituslaitokset.