Detektor Borexino, hiperczuły instrument znajdujący się głęboko pod ziemią we Włoszech, odniósł wreszcie sukces w prawie niemożliwym do wykonania zadaniu wykrycia neutrin CNO z jądra naszego Słońca. Te mało znane cząstki ujawniają ostatni brakujący szczegół cyklu termojądrowego napędzającego nasze Słońce i inne gwiazdy, a także mogą odpowiedzieć na wciąż nierozwiązane pytania dotyczące składu Słońca. Credit: Borexino Collaboration
Nadmiernie czuły instrument, znajdujący się głęboko pod ziemią we Włoszech, w końcu odniósł sukces w prawie niemożliwym do wykonania zadaniu wykrycia neutrin CNO (maleńkich cząstek wskazujących na obecność węgla, azotu i tlenu) z jądra naszego Słońca. Te mało znane cząstki ujawniają ostatni brakujący szczegół cyklu termojądrowego zasilającego nasze Słońce i inne gwiazdy.
W wynikach opublikowanych 26 listopada 2020 roku w czasopiśmie Nature (i przedstawionych na okładce) badacze z zespołu Borexino donoszą o pierwszych wykryciach tego rzadkiego typu neutrin, zwanych „cząstkami-duchami”, ponieważ przechodzą przez większość materii bez pozostawiania śladu.
Neutrina zostały wykryte przez detektor Borexino, ogromny podziemny eksperyment w środkowych Włoszech. Wielonarodowy projekt jest wspierany w Stanach Zjednoczonych przez National Science Foundation w ramach wspólnego grantu nadzorowanego przez Franka Calaprice’a, emerytowanego profesora fizyki w Princeton; Andreę Pocar, absolwentkę Princeton z 2003 roku i profesora fizyki na University of Massachusetts-Amherst; oraz Bruce’a Vogelaara, profesora fizyki w Virginia Polytechnical Institute and State University (Virginia Tech).
The „ghost particle” wykrywanie potwierdza przewidywania z 1930s że niektóre z naszego słońca energii jest generowany przez łańcuch reakcji z udziałem węgla, azotu i tlenu (CNO). Reakcja ta wytwarza mniej niż 1% energii Słońca, ale uważa się, że jest ona głównym źródłem energii w większych gwiazdach. W procesie tym uwalniane są dwa neutrina – najlżejsze znane cząstki elementarne materii – jak również inne cząstki subatomowe i energia. Bardziej obfity proces fuzji wodoru z helem również uwalnia neutrina, ale ich sygnatury spektralne są inne, co pozwala naukowcom na ich rozróżnienie.
„Potwierdzenie spalania CNO w naszym Słońcu, gdzie działa ono na poziomie zaledwie 1%, wzmacnia naszą pewność, że rozumiemy, jak działają gwiazdy” – powiedział Calaprice, jeden z pomysłodawców i głównych badaczy Borexino.
Neutrina CNO: Windows into the Sun
Przez większą część swojego życia, gwiazdy uzyskują energię poprzez stopienie wodoru w hel. W gwiazdach takich jak nasze Słońce, dzieje się to głównie poprzez łańcuchy proton-proton. Jednakże w cięższych i gorętszych gwiazdach, węgiel i azot katalizują spalanie wodoru i uwalniają neutrina CNO. Znalezienie neutrin pozwala nam zajrzeć w głąb wnętrza Słońca; kiedy detektor Borexino odkrył neutrina proton-proton, wiadomość ta rozpaliła świat nauki.
Ale neutrina CNO nie tylko potwierdzają, że proces CNO działa w Słońcu, ale mogą również pomóc w rozwiązaniu ważnego otwartego pytania w fizyce gwiezdnej: ile wnętrza Słońca składa się z „metali”, które astrofizycy definiują jako wszelkie pierwiastki cięższe od wodoru lub helu, i czy „metaliczność” jądra odpowiada tej na powierzchni lub w zewnętrznych warstwach Słońca.
Niestety, neutrina są niezwykle trudne do zmierzenia. Ponad 400 miliardów z nich uderza co sekundę w każdy centymetr kwadratowy powierzchni Ziemi, ale praktycznie wszystkie te „cząstki-duchy” przechodzą przez całą planetę nie wchodząc z niczym w interakcję, zmuszając naukowców do wykorzystywania bardzo dużych i bardzo starannie chronionych instrumentów do ich wykrywania.
Detektor Borexino znajduje się pół mili pod Górami Apenińskimi w środkowych Włoszech, w Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) włoskiego Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej, gdzie gigantyczny nylonowy balon – około 30 stóp średnicy – wypełniony 300 tonami ultraczystych ciekłych węglowodorów jest trzymany w wielowarstwowej komorze sferycznej zanurzonej w wodzie. Niewielka część neutrin przechodzących przez planetę odbija się od elektronów w tych węglowodorach, wytwarzając błyski światła, które mogą być wykryte przez czujniki fotonowe wyłożone w zbiorniku wodnym. Duża głębokość, rozmiar i czystość sprawiają, że Borexino jest naprawdę unikalnym detektorem dla tego typu nauki.
Projekt Borexino został zainicjowany na początku lat 90. przez grupę fizyków kierowaną przez Calaprice’a, Gianpaolo Belliniego z Uniwersytetu w Mediolanie i nieżyjącego już Raju Raghavana (wówczas w Bell Labs). W ciągu ostatnich 30 lat naukowcy z całego świata przyczynili się do znalezienia łańcucha neutrin proton-proton, a około pięć lat temu zespół rozpoczął polowanie na neutrina CNO.
Tłumienie tła
„Ostatnie 30 lat polegało na tłumieniu tła radioaktywnego” – powiedział Calaprice.
Większość neutrin wykrytych przez Borexino to neutrina proton-proton, ale kilka z nich to neutrina CNO. Niestety, neutrina CNO przypominają cząstki produkowane przez radioaktywny rozpad polonu-210, izotopu wyciekającego z gigantycznego nylonowego balonu. Oddzielenie neutrin słonecznych od skażenia polonem wymagało żmudnej pracy, prowadzonej przez naukowców z Princeton, która rozpoczęła się w 2014 roku. Ponieważ nie można było zapobiec wyciekowi promieniowania z balonu, naukowcy znaleźli inne rozwiązanie: zignorować sygnały ze skażonej zewnętrznej krawędzi kuli i chronić głębokie wnętrze balonu. Wymagało to radykalnego spowolnienia tempa ruchu płynów wewnątrz balonu. Większość przepływu płynu jest napędzana przez różnice ciepła, więc zespół amerykański pracował nad osiągnięciem bardzo stabilnego profilu temperatury dla zbiornika i węglowodorów, aby płyn był tak nieruchomy, jak to tylko możliwe. Temperatura została dokładnie odwzorowana przez zestaw sond temperaturowych zainstalowanych przez grupę z Virginia Tech, kierowaną przez Vogelaara.
„Jeśli ten ruch mógłby być wystarczająco zredukowany, moglibyśmy wtedy obserwować oczekiwane pięć lub więcej niskoenergetycznych odrzutów dziennie, które są spowodowane neutrinami CNO”, powiedział Calaprice. „Dla odniesienia, stopa sześcienna 'świeżego powietrza’ – które jest tysiąc razy mniej gęste niż płyn węglowodorowy – doświadcza około 100 000 rozpadów radioaktywnych dziennie, głównie z gazu radonowego.”
Aby zapewnić spokój wewnątrz płynu, naukowcy i inżynierowie z Princeton i Virginia Tech opracowali sprzęt do izolacji detektora – zasadniczo gigantyczny koc do owinięcia wokół niego – w 2014 i 2015 roku, a następnie dodali trzy obwody grzewcze, które utrzymują idealnie stabilną temperaturę. Te udało się kontrolować temperaturę detektora, ale sezonowe zmiany temperatury w hali C, gdzie znajduje się Borexino, nadal powodowały utrzymywanie się maleńkich prądów cieczy, zaciemniających sygnał CNO.
Więc dwaj inżynierowie z Princeton, Antonio Di Ludovico i Lidio Pietrofaccia, pracowali z inżynierem personelu LNGS, Graziano Panellą, aby stworzyć specjalny system obsługi powietrza, który utrzymuje stabilną temperaturę powietrza w hali C. System Aktywnej Kontroli Temperatury (ATCS), opracowany pod koniec 2019 roku, ostatecznie wytworzył wystarczającą stabilność termiczną na zewnątrz i wewnątrz balonu, aby wyciszyć prądy wewnątrz detektora, ostatecznie powstrzymując zanieczyszczające izotopy przed przenoszeniem ze ścian balonu do rdzenia detektora.
Wysiłek się opłacił.
„Wyeliminowanie tego radioaktywnego tła stworzyło region niskiego tła w Borexino, który umożliwił pomiar neutrin CNO” – powiedział Calaprice.
„Dane są coraz lepsze”
Przed odkryciem neutrin CNO laboratorium planowało zakończyć działalność Borexino pod koniec 2020 roku. Teraz okazuje się, że zbieranie danych może przedłużyć się do 2021 roku.
Objętość nieruchomych węglowodorów w sercu detektora Borexino nadal rośnie od lutego 2020 roku, kiedy to zebrano dane do artykułu w Nature. Oznacza to, że poza ujawnieniem neutrin CNO, które są przedmiotem artykułu w Nature z tego tygodnia, istnieje teraz potencjał, aby pomóc w rozwiązaniu problemu „metaliczności”, jak również – pytanie, czy rdzeń, warstwy zewnętrzne i powierzchnia Słońca wszystkie mają taką samą koncentrację pierwiastków cięższych niż hel lub wodór.
„Kontynuowaliśmy zbieranie danych, ponieważ centralna czystość nadal się poprawiała, dzięki czemu nowy wynik skoncentrowany na metaliczności jest realną możliwością” – powiedział Calaprice. „Nie tylko wciąż zbieramy dane, ale dane stają się coraz lepsze.”
Więcej na temat tych badań:
- Neutrinos Yield First Experimental Evidence of the CNO Energy-Production Mechanism of the Universe
- Understanding the „Hydrogen Burning” Power of Our Sun
Reference: „Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun” The Borexino Collaboration, 25 listopada 2020, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-020-2934-0
Inni mieszkańcy Princeton w zespole Borexino to Jay Benziger, emerytowany profesor inżynierii chemicznej i biologicznej, który zaprojektował super-oczyszczony płyn do detektora; Cristiano Galbiati, profesor fizyki; Paul LaMarche, obecnie wiceprowincjusz ds. programowania i planowania przestrzeni kosmicznej, który był pierwotnym kierownikiem projektu Borexino; XueFeng Ding, pracownik naukowy w dziedzinie fizyki; oraz Andrea Ianni, kierownik projektu w dziedzinie fizyki.
Jak wielu naukowców i inżynierów z kolektywu Borexino, Vogelaar i Pocar rozpoczęli pracę nad projektem w laboratorium Calaprice’a w Princeton. Vogelaar pracował nad nylonowym balonem, będąc badaczem, a następnie adiunktem w Princeton, a także nad kalibracją, monitorowaniem detektora, modelowaniem dynamiki płynów i stabilizacją termiczną w Virginia Tech. Pocar pracował nad projektem i budową balonu nylonowego oraz uruchomieniem systemu obsługi płynów w Princeton. Później pracował ze swoimi studentami w UMass-Amherst nad analizą danych i technikami charakteryzowania tła dla CNO i innych pomiarów neutrin słonecznych.
Praca ta była wspierana w USA przez National Science Foundation, Princeton University, University of Massachusetts i Virginia Tech. Borexino to międzynarodowa współpraca finansowana również przez włoski Narodowy Instytut Fizyki Jądrowej (INFN) oraz agencje finansujące w Niemczech, Rosji i Polsce.
.