Borexino-detektorn, ett hyperkänsligt instrument djupt under jorden i Italien, har äntligen lyckats med den nästintill omöjliga uppgiften att detektera CNO-neutriner från vår solkärna. Dessa föga kända partiklar avslöjar den sista saknade detaljen i den fusionscykel som driver vår sol och andra stjärnor, och skulle kunna besvara ännu olösta frågor om solens sammansättning. Credit: Borexino Collaboration
Ett hyperkänsligt instrument, djupt under jord i Italien, har äntligen lyckats med den nästan omöjliga uppgiften att detektera CNO-neutriner (små partiklar som pekar på närvaron av kol, kväve och syre) från vår solkärna. Dessa föga kända partiklar avslöjar den sista saknade detaljen i den fusionscykel som driver vår sol och andra stjärnor.
I resultat som publicerades den 26 november 2020 i tidskriften Nature (och som presenteras på omslaget) rapporterar forskare från Borexino-samarbetet om de första upptäckterna av denna sällsynta typ av neutriner, som kallas för ”spökpartiklar” eftersom de passerar genom det mesta av materia utan att lämna några spår.
Nutrinonerna upptäcktes av Borexino-detektorn, ett enormt underjordiskt experiment i centrala Italien. Det multinationella projektet stöds i USA av National Science Foundation genom ett delat anslag som övervakas av Frank Calaprice, professor i fysik emeritus vid Princeton, Andrea Pocar, en 2003 utexaminerad alumna från Princeton och professor i fysik vid University of Massachusetts-Amherst, och Bruce Vogelaar, professor i fysik vid Virginia Polytechnical Institute and State University (Virginia Tech).
Den upptäckta ”spökpartikeln” bekräftar förutsägelser från 1930-talet om att en del av solens energi genereras av en kedja av reaktioner som involverar kol, kväve och syre (CNO). Denna reaktion producerar mindre än 1 % av solens energi, men man tror att den är den primära energikällan i större stjärnor. Denna process frigör två neutriner – de lättaste kända elementarpartiklarna i materien – samt andra subatomära partiklar och energi. Den rikligare processen för fusion av väte till helium frigör också neutriner, men deras spektrala signaturer är olika, vilket gör det möjligt för forskarna att skilja dem åt.
”Bekräftelsen av CNO-förbränningen i vår sol, där den fungerar på endast 1 % nivå, stärker vår tilltro till att vi förstår hur stjärnor fungerar”, säger Calaprice, som är en av upphovsmännen till och huvudforskarna för Borexino.
CNO-neutrinos: Under en stor del av sin livstid får stjärnor energi genom att smälta väte till helium. I stjärnor som vår sol sker detta huvudsakligen genom proton-proton-kedjor. I tyngre och varmare stjärnor katalyserar dock kol och kväve väteförbränningen och frigör CNO-neutriner. Att hitta neutriner hjälper oss att få en inblick i hur det fungerar djupt inne i solens inre. När Borexino-detektorn upptäckte proton-protonneutriner lyste nyheten upp den vetenskapliga världen.
Men CNO-neutriner bekräftar inte bara att CNO-processen är verksam i solens inre, de kan också bidra till att lösa en viktig öppen fråga inom stjärnfysiken: hur mycket av solens inre som består av ”metaller”, vilket astrofysiker definierar som alla grundämnen som är tyngre än väte eller helium, och om kärnans ”metallicitet” stämmer överens med den som finns på solens yta eller i de yttre skikten.
Tyvärr är neutriner oerhört svåra att mäta. Mer än 400 miljarder av dem träffar varje kvadratcentimeter av jordens yta varje sekund, men praktiskt taget alla dessa ”spökpartiklar” passerar genom hela planeten utan att interagera med någonting, vilket tvingar forskarna att använda mycket stora och mycket noggrant skyddade instrument för att upptäcka dem.
Borexino-detektorn ligger en halv mil under Apenninerna i centrala Italien, vid Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) vid Italiens nationella institut för kärnfysik, där en jättelik nylonballong – cirka 30 fot i diameter – fylld med 300 ton ultrarena flytande kolväten hålls i en sfärisk flerskiktad kammare som är nedsänkt i vatten. En liten del av de neutriner som passerar genom planeten kommer att studsa mot elektroner i dessa kolväten, vilket ger upphov till ljusblixtar som kan detekteras av fotonsensorer i vattenbehållaren. Det stora djupet, storleken och renheten gör Borexino till en verkligt unik detektor för denna typ av vetenskap.
Borexino-projektet inleddes i början av 1990-talet av en grupp fysiker som leddes av Calaprice, Gianpaolo Bellini vid universitetet i Milano och den avlidne Raju Raghavan (som då arbetade vid Bell Labs). Under de senaste 30 åren har forskare runt om i världen bidragit till att hitta proton-proton-kedjan av neutriner och för ungefär fem år sedan inledde gruppen jakten på CNO-neutriner.
Undertryckning av bakgrunden
”De senaste 30 åren har handlat om att undertrycka den radioaktiva bakgrunden”, sade Calaprice.
De flesta av de neutrinon som upptäcks av Borexino är proton-proton-neutriner, men några få är igenkännbara CNO-neutriner. Tyvärr liknar CNO-neutrinos partiklar som produceras av det radioaktiva sönderfallet av polonium-210, en isotop som läcker från den gigantiska nylonballongen. Att separera solens neutriner från poloniumföroreningen krävde ett mödosamt arbete, lett av forskare från Princeton, som inleddes 2014. Eftersom strålningen inte kunde förhindras från att läcka ut ur ballongen hittade forskarna en annan lösning: ignorera signaler från den kontaminerade yttre kanten av klotet och skydda ballongens djupa inre. Detta krävde att de dramatiskt minskade hastigheten på vätskans rörelse i ballongen. Det mesta av vätskeflödet drivs av värmeskillnader, så det amerikanska teamet arbetade för att uppnå en mycket stabil temperaturprofil för tanken och kolvätena, för att göra vätskan så stilla som möjligt. Temperaturen kartlades exakt av en rad temperatursonder som installerades av Virginia Tech-gruppen, ledd av Vogelaar.
”Om den här rörelsen kunde minskas tillräckligt mycket skulle vi då kunna observera de förväntade cirka fem lågenergireaktioner per dag som beror på CNO-neutriner”, sade Calaprice. ”Som referens upplever en kubikfot ’frisk luft’ – som är tusen gånger mindre tät än kolvätevätskan – cirka 100 000 radioaktiva sönderfall per dag, mestadels från radongas.”
För att säkerställa stillhet i vätskan utvecklade vetenskapsmän och ingenjörer från Princeton och Virginia Tech hårdvara för att isolera detektorn – i huvudsak en jättelik filt som man sveper in runt den – under 2014 och 2015, och sedan lade de till tre värmekretsar som upprätthåller en perfekt stabil temperatur. Dessa lyckades kontrollera temperaturen i detektorn, men säsongsmässiga temperaturförändringar i hall C, där Borexino är placerad, ledde fortfarande till att små vätskeströmmar fortsatte att existera, vilket döljde CNO-signalen.
Så två Princeton-ingenjörer, Antonio Di Ludovico och Lidio Pietrofaccia, arbetade tillsammans med LNGS-ingenjören Graziano Panella för att skapa ett särskilt lufthanteringssystem som upprätthåller en stabil lufttemperatur i hall C. Det aktiva temperaturkontrollsystemet (Active Temperature Control System, ATCS), som utvecklades i slutet av 2019, producerade slutligen tillräckligt med termisk stabilitet utanför och inuti ballongen för att lugna strömmarna inne i detektorn, vilket äntligen hindrade de kontaminerande isotoperna från att föras från ballongväggarna in i detektorns kärna.
Ansträngningen lönade sig.
”Elimineringen av denna radioaktiva bakgrund skapade en låg bakgrundsregion i Borexino som gjorde det möjligt att mäta CNO-neutriner”, sade Calaprice.
”Uppgifterna blir bättre och bättre”
Innan CNO-neutrinoupptäckten hade laboratoriet planerat att avsluta Borexino-driften i slutet av 2020. Nu visar det sig att datainsamlingen kan fortsätta in i 2021.
Volymen av stilla kolväten i hjärtat av Borexino-detektorn har fortsatt att växa i storlek sedan februari 2020, då data för Nature-artikeln samlades in. Det innebär att, förutom att avslöja CNO-neutrinerna som är ämnet för veckans Nature-artikel, finns det nu en potential att hjälpa till att lösa ”metallicitetsproblemet” också – frågan om huruvida solens kärna, yttre skikt och yta alla har samma koncentration av grundämnen som är tyngre än helium eller väte.
”Vi har fortsatt att samla in data, samtidigt som den centrala reningen har fortsatt att förbättras, vilket gör att ett nytt resultat som är fokuserat på metalliciteten är en verklig möjlighet”, säger Calaprice. ”Vi fortsätter inte bara att samla in data, utan data blir bättre och bättre.”
För mer information om den här forskningen:
- 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” by The Borexino Collaboration, 25 November 2020, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-020-2934-0
Andra Princetonianer i Borexino-teamet är Jay Benziger, professor emeritus i kemisk och biologisk ingenjörskonst, som utformade den superrenade detektorvätskan, Cristiano Galbiati, professor i fysik, Paul LaMarche, numera vicerektor för rymdprogrammering och planering, som var Borexinos ursprungliga projektledare, XueFeng Ding, postdoktoral forskarassistent i fysik, och Andrea Ianni, projektledare i fysik.
Likt många av vetenskapsmännen och ingenjörerna i Borexino-kollektivet började Vogelaar och Pocar arbeta med projektet när de var i Calaprices labb på Princeton. Vogelaar arbetade med nylonballongen när han var forskare och sedan biträdande professor vid Princeton, och med kalibreringen, övervakningen av detektorn samt den väderdynamiska modelleringen och den termiska stabiliseringen vid Virginia Tech. Pocar arbetade med utformning och konstruktion av nylonballongen och driftsättning av vätskehanteringssystemet i Princeton. Senare arbetade han tillsammans med sina studenter vid UMass-Amherst med dataanalys och tekniker för att karakterisera bakgrunderna för CNO och andra mätningar av solneutriner.
Detta arbete stöddes i USA av National Science Foundation, Princeton University, University of Massachusetts och Virginia Tech. Borexino är ett internationellt samarbete som också finansieras av det italienska nationella institutet för kärnfysik (INFN) och finansieringsorgan i Tyskland, Ryssland och Polen.