Detectorul Borexino, un instrument hipersensibil aflat la mare adâncime sub pământ în Italia, a reușit în cele din urmă sarcina aproape imposibilă de a detecta neutrini CNO din miezul Soarelui nostru. Aceste particule puțin cunoscute dezvăluie ultimul detaliu care lipsește din ciclul de fuziune care alimentează soarele nostru și alte stele și ar putea răspunde la întrebări încă nerezolvate despre compoziția soarelui. Credit: Borexino Collaboration
Un instrument hipersensibil, aflat la mare adâncime sub pământ în Italia, a reușit, în sfârșit, sarcina aproape imposibilă de a detecta neutrini CNO (particule minuscule care indică prezența carbonului, azotului și oxigenului) din miezul soarelui nostru. Aceste particule puțin cunoscute dezvăluie ultimul detaliu care lipsește din ciclul de fuziune care alimentează soarele nostru și alte stele.
În rezultatele publicate la 26 noiembrie 2020 în revista Nature (și prezentate pe copertă), cercetătorii din cadrul colaborării Borexino raportează primele detecții ale acestui tip rar de neutrini, numiți „particule fantomă” deoarece trec prin majoritatea materiei fără a lăsa urme.
Neutrinii au fost detectați de detectorul Borexino, un experiment subteran enorm din centrul Italiei. Proiectul multinațional este sprijinit în Statele Unite de National Science Foundation în cadrul unui grant comun supervizat de Frank Calaprice, profesor emerit de fizică la Princeton; Andrea Pocar, absolventă în 2003 a Princeton și profesor de fizică la Universitatea din Massachusetts-Amherst; și Bruce Vogelaar, profesor de fizică la Virginia Polytechnical Institute and State University (Virginia Tech).
Detecția „particulei fantomă” confirmă predicțiile din anii 1930 conform cărora o parte din energia soarelui nostru este generată de un lanț de reacții care implică carbon, azot și oxigen (CNO). Această reacție produce mai puțin de 1% din energia soarelui, dar se crede că este sursa principală de energie în stelele mai mari. Acest proces eliberează doi neutrini – cele mai ușoare particule elementare cunoscute ale materiei – precum și alte particule subatomice și energie. Procesul mai abundent de fuziune a hidrogenului în heliu eliberează, de asemenea, neutrini, dar semnăturile lor spectrale sunt diferite, permițând oamenilor de știință să le distingă.
„Confirmarea arderii CNO în soarele nostru, unde funcționează la un nivel de doar 1%, ne întărește încrederea că înțelegem cum funcționează stelele”, a declarat Calaprice, unul dintre inițiatorii și principalii cercetători pentru Borexino.
Neutrinii CNO: Ferestre în soare
Pentru o mare parte din viața lor, stelele obțin energie prin fuziunea hidrogenului în heliu. În stele precum soarele nostru, acest lucru se întâmplă predominant prin lanțuri proton-proton. Cu toate acestea, în stelele mai grele și mai fierbinți, carbonul și azotul catalizează arderea hidrogenului și eliberează neutrini CNO. Descoperirea oricăror neutrini ne ajută să pătrundem în lucrările din interiorul soarelui; atunci când detectorul Borexino a descoperit neutrini proton-proton, vestea a luminat lumea științifică.
Dar neutrinii CNO nu numai că confirmă faptul că procesul CNO funcționează în interiorul soarelui, dar pot ajuta, de asemenea, la rezolvarea unei importante întrebări deschise în fizica stelară: cât de mult din interiorul soarelui este alcătuit din „metale”, pe care astrofizicienii le definesc ca fiind orice elemente mai grele decât hidrogenul sau heliul, și dacă „metalicitatea” nucleului se potrivește cu cea a suprafeței soarelui sau a straturilor exterioare.
Din păcate, neutrinii sunt extrem de dificil de măsurat. Mai mult de 400 de miliarde dintre ei lovesc fiecare centimetru pătrat al suprafeței Pământului în fiecare secundă, însă practic toate aceste „particule fantomă” trec prin întreaga planetă fără a interacționa cu nimic, obligând oamenii de știință să utilizeze instrumente foarte mari și foarte atent protejate pentru a le detecta.
Detectorul Borexino se află la o jumătate de milă sub Munții Apenini din centrul Italiei, la Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) din cadrul Institutului Național de Fizică Nucleară din Italia, unde un balon gigantic de nailon – cu un diametru de aproximativ 30 de metri – umplut cu 300 de tone de hidrocarburi lichide ultra-pure este ținut într-o cameră sferică cu mai multe straturi care este scufundată în apă. O fracțiune infimă din neutrinii care trec prin planetă vor ricoșa în electronii din aceste hidrocarburi, producând flash-uri de lumină care pot fi detectate de senzorii fotonici care căptușesc rezervorul de apă. Adâncimea mare, dimensiunea și puritatea fac din Borexino un detector cu adevărat unic pentru acest tip de știință.
Proiectul Borexino a fost inițiat la începutul anilor 1990 de un grup de fizicieni condus de Calaprice, Gianpaolo Bellini de la Universitatea din Milano și regretatul Raju Raghavan (pe atunci la Bell Labs). În ultimii 30 de ani, cercetători din întreaga lume au contribuit la găsirea lanțului de neutrini proton-proton și, în urmă cu aproximativ cinci ani, echipa a început vânătoarea de neutrini CNO.
Suprimarea fondului radioactiv
„În ultimii 30 de ani a fost vorba despre suprimarea fondului radioactiv”, a spus Calaprice.
Majoritatea neutrinilor detectați de Borexino sunt neutrini proton-proton, dar câțiva sunt în mod recognoscibil neutrini CNO. Din nefericire, neutrinii CNO seamănă cu particulele produse de dezintegrarea radioactivă a poloniului-210, un izotop care se scurge din giganticul balon de nailon. Separarea neutrinilor soarelui de contaminarea cu poloniu a necesitat un efort minuțios, condus de oamenii de știință de la Princeton, care a început în 2014. Deoarece radiația nu putea fi împiedicată să se scurgă din balon, oamenii de știință au găsit o altă soluție: să ignore semnalele de la marginea exterioară contaminată a sferei și să protejeze interiorul adânc al balonului. Acest lucru i-a obligat să încetinească în mod dramatic rata de mișcare a fluidelor în interiorul balonului. Cea mai mare parte a curgerii fluidelor este determinată de diferențele de căldură, așa că echipa americană a lucrat pentru a obține un profil de temperatură foarte stabil pentru rezervor și hidrocarburi, pentru ca fluidul să fie cât mai liniștit posibil. Temperatura a fost cartografiată cu precizie de o serie de sonde de temperatură instalate de grupul Virginia Tech, condus de Vogelaar.
„Dacă această mișcare ar putea fi redusă suficient de mult, am putea apoi să observăm cele aproximativ cinci sau cinci reculuri de joasă energie așteptate pe zi care se datorează neutrinilor CNO”, a declarat Calaprice. „Pentru referință, un picior cub de „aer proaspăt” – care este de o mie de ori mai puțin dens decât fluidul de hidrocarburi – experimentează aproximativ 100.000 de dezintegrări radioactive pe zi, în principal de la gazul radon.”
Pentru a asigura liniștea în interiorul fluidului, oamenii de știință și inginerii de la Princeton și Virginia Tech au dezvoltat hardware pentru a izola detectorul – în esență, o pătură uriașă care să îl înfășoare – în 2014 și 2015, apoi au adăugat trei circuite de încălzire care mențin o temperatură perfect stabilă. Acestea au reușit să controleze temperatura detectorului, dar schimbările sezoniere de temperatură din Sala C, unde se află Borexino, încă făceau ca micii curenți de fluid să persiste, întunecând semnalul CNO.
Așa că doi ingineri de la Princeton, Antonio Di Ludovico și Lidio Pietrofaccia, au lucrat cu inginerul Graziano Panella, membru al personalului LNGS, pentru a crea un sistem special de tratare a aerului care menține o temperatură stabilă a aerului în Sala C. Sistemul de control activ al temperaturii (ATCS), dezvoltat la sfârșitul anului 2019, a produs în cele din urmă suficientă stabilitate termică în afara și în interiorul balonului pentru a liniști curenții din interiorul detectorului, împiedicând în cele din urmă ca izotopii contaminanți să fie transportați de pe pereții balonului în miezul detectorului.
Efortul a dat roade.
„Eliminarea acestui fond radioactiv a creat o regiune de fond scăzut al Borexino care a făcut posibilă măsurarea neutrinilor CNO”, a spus Calaprice.
„Datele devin din ce în ce mai bune”
Înainte de descoperirea neutrinilor CNO, laboratorul plănuise să încheie operațiunile Borexino la sfârșitul anului 2020. Acum, se pare că strângerea de date s-ar putea prelungi până în 2021.
Volumul de hidrocarburi nemișcate din inima detectorului Borexino a continuat să crească în dimensiune din februarie 2020, când au fost colectate datele pentru articolul din Nature. Acest lucru înseamnă că, dincolo de dezvăluirea neutrinilor CNO care fac obiectul articolului Nature din această săptămână, există acum potențialul de a ajuta la rezolvarea și a problemei „metalicității” – întrebarea dacă nucleul, straturile exterioare și suprafața Soarelui au toate aceeași concentrație de elemente mai grele decât heliul sau hidrogenul.
„Am continuat să colectăm date, în timp ce puritatea centrală a continuat să se îmbunătățească, ceea ce face ca un nou rezultat axat pe metalicitate să fie o posibilitate reală”, a declarat Calaprice. „Nu numai că încă mai colectăm date, dar datele devin din ce în ce mai bune.”
Pentru mai multe informații despre această cercetare:
- Neutrinii aduc prima dovadă experimentală a mecanismului de producere a energiei CNO din Univers
- Înțelegerea puterii de „ardere a hidrogenului” a Soarelui nostru
Referință: „Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun” de The Borexino Collaboration, 25 noiembrie 2020, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-020-2934-0
Alți princetonieni din echipa Borexino sunt Jay Benziger, profesor emerit de inginerie chimică și biologică, care a proiectat fluidul superpurificat al detectorului; Cristiano Galbiati, profesor de fizică; Paul LaMarche, în prezent vicepreședinte pentru programare și planificare spațială, care a fost managerul inițial al proiectului Borexino; XueFeng Ding, cercetător asociat postdoctoral în fizică; și Andrea Ianni, manager de proiect în fizică.
La fel ca mulți dintre oamenii de știință și inginerii din colectivul Borexino, Vogelaar și Pocar și-au început activitatea în cadrul proiectului în timp ce se aflau în laboratorul lui Calaprice la Princeton. Vogelaar a lucrat la balonul de nailon în timp ce era cercetător și apoi profesor asistent la Princeton, iar calibrarea, monitorizarea detectorului și modelarea dinamicii fluidelor și a stabilizării termice la Virginia Tech. Pocar a lucrat la proiectarea și construcția balonului de nailon și la punerea în funcțiune a sistemului de manipulare a fluidelor la Princeton. Ulterior, el a lucrat cu studenții săi de la UMass-Amherst la analiza datelor și la tehnicile de caracterizare a fundalurilor pentru CNO și alte măsurători de neutrini solari.
Această lucrare a fost susținută în SUA de National Science Foundation, Universitatea Princeton, Universitatea din Massachusetts și Virginia Tech. Borexino este o colaborare internațională finanțată, de asemenea, de Institutul Național de Fizică Nucleară din Italia (INFN), precum și de agenții de finanțare din Germania, Rusia și Polonia.
.