A Borexino detektor, egy hiperérzékeny műszer mélyen a föld alatt Olaszországban, végre sikerrel teljesítette a szinte lehetetlen feladatot, a Napunk magjából származó CNO neutrínók kimutatását. Ezek a kevéssé ismert részecskék a Napunkat és más csillagokat működtető fúziós ciklus utolsó hiányzó részletét tárják fel, és választ adhatnak a Nap összetételével kapcsolatos, még mindig nyitott kérdésekre. Credit: Borexino Collaboration

Egy hiperérzékeny műszer Olaszország mélyén végre sikerrel teljesítette azt a szinte lehetetlen feladatot, hogy CNO-neutrinókat (szén, nitrogén és oxigén jelenlétére utaló apró részecskéket) detektáljon Napunk magjából. Ezek a kevéssé ismert részecskék a Napunkat és más csillagokat működtető fúziós ciklus utolsó hiányzó részletét tárják fel.

A Nature folyóiratban 2020. november 26-án közzétett (és a címlapon is szereplő) eredményekben a Borexino kollaboráció kutatói beszámolnak a neutrínók e ritka típusának első észleléseiről, amelyeket “szellem részecskéknek” neveznek, mivel a legtöbb anyagon nyom nélkül haladnak át.

A neutrínókat a Borexino detektorral, egy hatalmas föld alatti kísérlettel észlelték Közép-Olaszországban. A multinacionális projektet az Egyesült Államokban a Nemzeti Tudományos Alapítvány támogatja egy közös támogatás keretében, amelyet Frank Calaprice, a Princeton emeritus fizikaprofesszora, Andrea Pocar, a Princeton 2003-ban végzett öregdiákja, a Massachusetts-Amhersti Egyetem fizikaprofesszora és Bruce Vogelaar, a Virginia Polytechnical Institute and State University (Virginia Tech) fizikaprofesszora felügyel.

A “szellemrészecskék” észlelése megerősíti az 1930-as évekből származó előrejelzéseket, miszerint Napunk energiájának egy része szén, nitrogén és oxigén (CNO) reakciók láncolatából származik. Ez a reakció a Nap energiájának kevesebb mint 1%-át termeli, de úgy gondolják, hogy a nagyobb csillagokban ez az elsődleges energiaforrás. Ez a folyamat két neutrínót – az anyag legkönnyebb ismert elemi részecskéit -, valamint más szubatomi részecskéket és energiát szabadít fel. A hidrogén héliummá fúziójának nagyobb mennyiségben előforduló folyamata szintén neutrínókat szabadít fel, de spektrális jelzéseik eltérőek, ami lehetővé teszi a tudósok számára, hogy megkülönböztessék őket.

“A CNO égés megerősítése a mi Napunkban, ahol csak 1%-os szinten működik, megerősíti a bizalmunkat abban, hogy megértjük, hogyan működnek a csillagok” – mondta Calaprice, a Borexino egyik kezdeményezője és vezető kutatója.

CNO neutrínók: A csillagok életük nagy részében a hidrogén héliummá fúziójával nyerik az energiát. A Napunkhoz hasonló csillagokban ez túlnyomórészt proton-proton láncolatokon keresztül történik. A nehezebb és forróbb csillagokban azonban a szén és a nitrogén katalizálják a hidrogénégetést, és CNO neutrínókat bocsátanak ki. Bármilyen neutrínó megtalálása segít bepillantani a Nap belsejének mélyén zajló folyamatokba; amikor a Borexino detektor proton-proton neutrínókat fedezett fel, a hír beragyogta a tudományos világot.

De a CNO-neutrínók nemcsak azt erősítik meg, hogy a CNO-folyamat működik a Napban, hanem segíthetnek megoldani a csillagfizika egy fontos nyitott kérdését is: hogy a Nap belsejének mekkora részét alkotják a “fémek”, amelyeket az asztrofizikusok a hidrogénnél és a héliumnál nehezebb elemként határoznak meg, és hogy a mag “fémessége” megegyezik-e a Nap felszínének vagy külső rétegeinek fémességével.

Sajnos a neutrínókat rendkívül nehéz mérni. Másodpercenként több mint 400 milliárd ilyen részecske csapódik be a Föld felszínének minden négyzetcentiméterére, mégis gyakorlatilag az összes ilyen “szellemrészecske” áthalad az egész bolygón anélkül, hogy bármivel is kölcsönhatásba lépne, ami arra kényszeríti a tudósokat, hogy nagyon nagy és nagyon gondosan védett műszereket használjanak az észlelésükhöz.

A Borexino detektor fél mérfölddel a közép-olaszországi Appennin-hegység alatt, az olasz Nemzeti Nukleáris Fizikai Intézet Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) laboratóriumában található, ahol egy 300 tonna ultratiszta folyékony szénhidrogénnel töltött óriási – mintegy 30 láb átmérőjű – nejlonballont tartanak egy többrétegű, vízbe merített gömb alakú kamrában. A bolygón áthaladó neutrínók egy parányi része visszapattan az ezekben a szénhidrogénekben lévő elektronokról, és fényvillanásokat produkál, amelyeket a víztartályban elhelyezett fotonérzékelőkkel lehet érzékelni. A nagy mélység, a méret és a tisztaság a Borexino-t valóban egyedülálló detektorrá teszi az ilyen típusú tudomány számára.

A Borexino projektet az 1990-es évek elején kezdeményezte egy fizikusokból álló csoport, amelyet Calaprice, Gianpaolo Bellini a Milánói Egyetemen és a néhai Raju Raghavan (akkor a Bell Labs-nél) vezetett. Az elmúlt 30 évben a kutatók világszerte hozzájárultak a proton-proton neutrínólánc megtalálásához, és körülbelül öt évvel ezelőtt a csapat megkezdte a CNO neutrínók utáni vadászatot.

A háttér elnyomása

“Az elmúlt 30 év a radioaktív háttér elnyomásáról szólt” – mondta Calaprice.

A Borexino által észlelt neutrínók többsége proton-proton neutrínó, de néhány felismerhetően CNO neutrínó. Sajnos a CNO-neutrínók hasonlítanak a polónium-210 radioaktív bomlása során keletkező részecskékhez, amely izotóp a gigantikus nejlonballonból szivárog. A napneutrínóknak a polóniumszennyezéstől való elkülönítése a Princeton tudósai által vezetett aprólékos munkát igényelt, amely 2014-ben kezdődött. Mivel nem lehetett megakadályozni, hogy a sugárzás kiszivárogjon a ballonból, a tudósok más megoldást találtak: figyelmen kívül hagyták a gömb szennyezett külső pereméről érkező jeleket, és megvédték a ballon mély belsejét. Ehhez drasztikusan le kellett lassítaniuk a folyadék mozgásának sebességét a ballonban. A legtöbb folyadékáramlást a hőkülönbség hajtja, ezért az amerikai csapat azon dolgozott, hogy nagyon stabil hőmérsékleti profilt érjen el a tartály és a szénhidrogének számára, hogy a folyadék minél nyugodtabb legyen. A hőmérsékletet pontosan feltérképezte a Vogelaar által vezetett Virginia Tech csoport által telepített hőmérsékletszondák sorozata.

“Ha ezt a mozgást eléggé le tudnánk csökkenteni, akkor megfigyelhetnénk a CNO neutrínóknak köszönhető, várhatóan napi öt-öt alacsony energiájú visszaverődést” – mondta Calaprice. “Csak összehasonlításképpen, egy köbméter “friss levegő” – amely ezerszer kisebb sűrűségű, mint a szénhidrogén folyadék – naponta körülbelül 100 000 radioaktív bomlást tapasztal, főként radongázból.”

A folyadékon belüli nyugalom biztosítása érdekében a Princeton és a Virginia Tech tudósai és mérnökei 2014-ben és 2015-ben kifejlesztették a detektort szigetelő hardvert – lényegében egy óriási takarót, amelyet köré tekernek -, majd három fűtőkörrel egészítették ki, amelyek tökéletesen stabil hőmérsékletet tartanak fenn. Ezeknek sikerült szabályozniuk a detektor hőmérsékletét, de a szezonális hőmérsékletváltozások a C csarnokban, ahol a Borexino található, még mindig apró folyadékáramlásokat okoztak, amelyek elhomályosították a CNO jelét.

Azért két princetoni mérnök, Antonio Di Ludovico és Lidio Pietrofaccia az LNGS munkatárs mérnökével, Graziano Panellával együtt egy olyan speciális légkezelő rendszer létrehozásán dolgozott, amely stabilan tartja a levegő hőmérsékletét a C csarnokban. A 2019 végén kifejlesztett aktív hőmérséklet-szabályozó rendszer (ATCS) végül elegendő hőstabilitást hozott létre a ballonon kívül és belül ahhoz, hogy a detektoron belüli áramlásokat lecsendesítse, és végül megakadályozza, hogy a szennyező izotópok a ballon faláról a detektor magjába kerüljenek.

Az erőfeszítés kifizetődött.

“Ennek a radioaktív háttérnek a megszüntetésével a Borexino egy alacsony háttérrel rendelkező régiót hozott létre, amely lehetővé tette a CNO neutrínók mérését” – mondta Calaprice.

“Az adatok egyre jobbak és jobbak.”

A CNO neutrínók felfedezése előtt a laboratórium azt tervezte, hogy 2020 végén befejezi a Borexino működését. Most úgy tűnik, hogy az adatgyűjtés akár 2021-ig is elhúzódhat.

A Borexino detektor szívében lévő mozdulatlan szénhidrogének térfogata 2020 februárja óta, amikor a Nature cikkhez szükséges adatokat gyűjtötték, tovább nőtt. Ez azt jelenti, hogy az e heti Nature-cikk tárgyát képező CNO-neutrínók kimutatásán túlmenően most már lehetőség van arra is, hogy segítsen megoldani a “fémesség” problémáját is – azt a kérdést, hogy a Nap magjában, külső rétegeiben és felszínén a héliumnál vagy hidrogénnél nehezebb elemek koncentrációja azonos-e.

“Folytattuk az adatgyűjtést, mivel a központi tisztaság tovább javult, így egy új, a fémességre összpontosító eredmény reális lehetőséggé vált” – mondta Calaprice. “Nemcsak hogy továbbra is gyűjtjük az adatokat, de az adatok egyre jobbak és jobbak lesznek.”

Még többet erről a kutatásról:

• Neutrínók szolgáltatják az első kísérleti bizonyítékot az Univerzum CNO energiatermelő mechanizmusáról
• Napunk “hidrogénégető” erejének megértése

Hivatkozás: “Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun” by The Borexino Collaboration, 2020. november 25., Nature.
DOI: 10.1038/s41586-020-2934-0

A Borexino-csapat további princetoni tagjai: Jay Benziger, a kémiai és biológiai mérnöki tudományok professor emeritusa, aki a szupertisztított detektorfolyadékot tervezte; Cristiano Galbiati, a fizika professzora; Paul LaMarche, jelenleg az űrprogramozásért és -tervezésért felelős rektorhelyettes, aki a Borexino eredeti projektvezetője volt; XueFeng Ding, a fizika posztdoktori munkatársa; és Andrea Ianni, a fizika projektvezetője.

A Borexino kollektíva számos tudósához és mérnökéhez hasonlóan Vogelaar és Pocar is a Calaprice princetoni laboratóriumában kezdte a projektet. Vogelaar a nejlonballonon dolgozott, amíg kutató, majd adjunktus volt a Princetonon, és a kalibráláson, a detektor monitorozásán, valamint a fluiddinamikai modellezésen és a hőstabilizáláson a Virginia Tech-en. Pocar a nejlonballon tervezésén és építésén, valamint a folyadékkezelő rendszer üzembe helyezésén dolgozott Princetonban. Később az UMass-Amherstben tanítványaival együtt a CNO és más napneutrínó mérések hátterének jellemzésére szolgáló adatelemzésen és technikákon dolgozott.

Ezt a munkát az Egyesült Államokban a Nemzeti Tudományos Alapítvány, a Princeton Egyetem, a Massachusettsi Egyetem és a Virginia Tech támogatta. A Borexino egy nemzetközi együttműködés, amelyet az Olasz Nemzeti Nukleáris Fizikai Intézet (INFN), valamint németországi, oroszországi és lengyelországi finanszírozók is támogatnak.