Poznać wnętrze Słońca. 10 lat badań nad neutrinami słonecznymi

„Neutrina są prawdopodobnie najbardziej powszechnymi cząstkami elementarnymi we Wszechświecie” (fot. Borexino Collaboration)

Detektor BOREXINO w podziemnym włoskim laboratorium już od 10 lat zbiera dane o neutrinach rodzących się w Słońcu. Wyniki zebrane podczas dekady badań podsumowano w publikacji w „Nature”. W badaniach brali udział Polacy.

Tajemnicza chmura w okolicach wulkanu na Marsie

Od połowy września na zdjęciach z sondy Mars Express widać dziwną, wydłużoną chmurę w okolicach jednego z marsjańskich wulkanów – poinformowała...

zobacz więcej

Neutrina są prawdopodobnie najbardziej powszechnymi cząstkami elementarnymi we Wszechświecie – informuje Instytut Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego w przesłanym komunikacie. Jak podaje, te cząstki elementarne powstają podczas szeregu procesów, takich jak rozpady radioaktywne, fuzja jądrowa w centrach gwiazd lub w wyniku eksplozji supernowych. W każdej sekundzie miliardy neutrin słonecznych przenikają nasze ciało zupełnie niezauważone i niezakłócone.

Ta łatwość penetracji materii sprawia jednak, iż ich wykrycie jest niezwykle trudne. Tylko detektory o dużej masie, w których ogromne liczby docierających do nich neutrin mogą generować mierzalną liczbę interakcji, nadają się do ich badań. Jednym z takich detektorów jest BOREXINO. Ponad dekadę badań podsumowano w publikacji w „Nature” (www.nature.com/articles/s41586-018-0624-y).

Detektor BOREXINO rejestruje neutrina słoneczne nieprzerwanie od 2007 roku. Zebrane dane umożliwiają wgląd w to, co dzieje się we wnętrzu Słońca. Dane te można wykorzystać zarówno do sformułowania ważnych stwierdzeń dotyczących procesów odpowiedzialnych za produkcję energii w Słońcu, jak i do zbadania własności samych neutrin – zaznaczono w komunikacie fizyków z UJ.

Produkcja energii w Słońcu

Publikacja w „Nature” wieńczy długą historię pomiarów i badań eksperymentalnych, które doprowadziły z jednej strony do dokładnego poznania mechanizmu produkcji energii w Słońcu, a z drugiej do zbadania w obszarze niskich energii (od poniżej 1 MeV do kilku MeV) tak zwanego zjawiska oscylacji neutrin, tj. przekształcania neutrin z jednego rodzaju (tzw. zapachu) w inny.

– Nie możemy zajrzeć do jądra Słońca stosując konwencjonalne metody astronomiczne – widzimy wtedy zaledwie jego powierzchnię we wszystkich zakresach promieniowania elektromagnetycznego. Tylko neutrina dają nam dostęp bezpośrednio do kotła słonecznego, w którym generowana jest energia, dzięki której m.in. istnieje życie na Ziemi – wyjaśnia prof. Marcin Wójcik, kierownik polskiej grupy fizyków z Uniwersytetu Jagiellońskiego uczestniczącej w eksperymencie BOREXINO.

Astronomowie opracowali mapę termiczną Europy, księżyca Jowisza

Dzięki sieci radioteleskopów ALMA naukowcom udało się opracować termiczną mapę jednego z księżyców Jowisza – Europy. Księżyc ten ma być jednym z...

zobacz więcej

Aby móc rejestrować oddziaływania neutrin, trzeba było osłonić się przed promieniowaniem kosmicznym. Detektor umieszczono więc w największym na świecie podziemnym laboratorium Laboratori Nazionali del Gran Sasso we Włoszech, nad którym znajduje się warstwa skał o grubości 1400 metrów.

– Detektor BOREXINO osiągnął niedościgniony poziom radioczystości, co nadaje mu wyjątkową i niezrównaną pozycję pośród wielu prowadzonych eksperymentów niskotłowych. Grupa fizyków z Uniwersytetu Jagiellońskiego wniosła dominujący wkład w osiągnięcie bezprecedensowo niskiego tła detektora BOREXINO. Ta szczególna cecha była warunkiem koniecznym do zebrania bezcennych danych w ciągu ponad dziesięciu lat prowadzenia eksperymentu – komentuje prof. Wójcik.

Energia uwalniana ze Słońca

Jak przypomniano w komunikacie IF UJ, Słońce jest stałym źródłem ogromnego strumienia neutrin. W jądrze Słońca, nieustannie od milionów lat, wodór jest spalany do helu w cyklu PP, w którym szereg reakcji jądrowych, zapoczątkowanych fuzją dwóch protonów do deuteru, prowadzi do powstania stabilnego jądra helu. Podczas tych reakcji uwalniana jest energia, która następnie emitowana jest z powierzchni Słońca we wszystkich kierunkach.

Detektor BOREXINO był zaprojektowany tylko do pomiaru tzw. strumienia monoenergetycznych neutrin 7Be. Stopniowo jednak poprawiano czułość eksperymentu, aby w końcu umożliwić pomiar wszystkich strumieni neutrin z całego cyklu PP. Badania zbliżają nas do odpowiedzi, dlaczego Słońce świeci nieprzerwanie przez miliardy lat.

Jednocześnie, poprzez porównanie uzyskanych danych eksperymentalnych z przewidywaniami Standardowego Modelu Słonecznego, zespół BOREXINO wykazuje bezsprzecznie istnienie w obszarze niskich energii oscylacji pomiędzy neutrinami o różnych zapachach.

Oscylacje neutrin

– Neutrina mają tę właściwość, że poruszając się z prędkościami zbliżonymi do prędkości światła, potrafią zmieniać swój stan, np. z neutrina elektronowego zmieniają się w mionowe i później znów w elektronowe – są to tak zwane oscylacje neutrin. Transformacja ta zależy od tego, czy neutrina poruszają się w pustej przestrzeni, czy też w gęstej materii, jak np. we wnętrzu Słońca – tłumaczy prof. Marcin Wójcik.

Orbitery już w drodze do Merkurego. Planeta skrywa wiele tajemnic [INFOGRAFIKA]

Choć jest znany od czasów starożytnych, Merkury wciąż skrywa wiele tajemnic. Odpowiedzi na nurtujące naukowców pytania ma dać rozpoczynajaca się...

zobacz więcej

Wyniki pomiarów przedstawione w najnowszej publikacji stanowią pierwszą kompletną informację dotyczącą cyklu PP w Słońcu uzyskaną za pomocą jednego detektora neutrin i z zastosowaniem jednolitej procedury analizy danych.

Cykl CNO

BOREXINO będzie rejestrować neutrina słoneczne do co najmniej 2020 roku. Naukowcy intensywnie pracują nad tym, aby móc doprowadzić do kolejnego odkrycia, czyli rejestracji neutrin z cyklu CNO, w którym węgiel azot i tlen są jakby katalizatorami w procesie spalania wodoru. Cykl CNO jest następnym procesem fuzji jądrowej, w którym w Słońcu wytwarzany jest tylko 1 proc. jego całkowitej energii. Jest więc procesem drugiego rzędu i dlatego odpowiednio trudnym do wykrycia. Przypuszczalnie jest on jednak odpowiedzialny za produkcję większości energii w gwiazdach cięższych od Słońca. Czy ma on miejsce w naturze? Nie wiadomo – jak dotąd jest tylko przewidywaniem teoretycznym.

Eksperyment BOREXINO prowadzony jest w ramach intensywnej współpracy fizyków z Włoch, Niemiec, Francji, Polski, Stanów Zjednoczonych i Rosji. Polskę reprezentuje krakowska grupa naukowców z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UJ.

banner

źródło:

Zobacz więcej