A napsemleges neutrínák megragadása: történelmi retrospektív • Alexey Levin • Tudományos hírek a "Elemekről" • Fizika, tudománytörténet

A napenergia neutrínói: történeti retrospektívák

Neutrino detektor Borexino. A középpontban egy gömb alakú nejlon tartály, ultra tiszta szerves foszforral. Közelebb a kép széleihez látható rozsdamentes acél gömb, amelyre szerelt fotomultiplierek. Fotók a news.sciencemag.org-ból

Augusztus 27-én a folyóiratban természet Egy cikket a résztvevők megjelentek egy nemzetközi együttműködésben, amely a Borexino neutrínó detektoron dolgozott az olasz földalatti Gran Sasso Nemzeti Laboratóriumban. E csoport tagjai, köztük az orosz kutatóközpontok munkatársai, jelentették a neutronok közvetlen közvetlen regisztrálását, amelyek a termonukleáris reakciók láncolatának kezdeti szakaszában születtek, ami szinte minden, a Nap központjában keletkező energiának felszabadulását eredményezte. Így határozott lépést tettek a program befejezéséig a napenergia eredetű neutrínóáramok teljes kimutatására. Ez a program pontosan fél évszázaddal ezelőtt kezdett megvalósulni, és az asztrofizika teljes történetében a leghosszabb élettartamú kutatási projekt lett.

Ghost részecske

Wolfgang Pauli előterjesztette a 1930 decemberében félig robbantott, könnyű töltés nélküli részecske létezésének hipotézisét, mint "utolsó lehetőséget" (saját szavait)képes megmagyarázni az energia megőrzésének és a szögsebesség törvényeinek megsértését az atommagok béta-bomlási folyamataiban. Ő maga ezt a részecskét neutronnak nevezte, de néhány hónap elteltével Enrico Fermi a "neutrínó" nevéhez fűződött, amit fizikusok fogadtak el (az "igazi" neutronot csak James Chadwick fedezte fel 1932-ben). Ugyanakkor Chadwick elkezdte az első kísérletet a neutrínó kimutatására a Cavendish Laboratóriumban. Nem sikerült észlelni ezt a részecskét, arra a következtetésre jutott, hogy legalább 150 kilométert képes repülni a levegőben, anélkül, hogy bármilyen atomtal összeütköznének. Maurice Namias hasonló méréseket végzett a 30 méter mélységben a londoni metróállomáson, és felemelte a neutrínó szabad útját a levegőben több mint kilencezer kilométerre (ez volt az első földalatti kísérlet a fizika történetében az elemi részecskék regisztrálásához). A teoretikusok Hans Bethe és Rudolph Peierls, akik úgy számolták ki, hogy a neutrínók több MeV energiával való felszívódásának garantálása érdekében ezer fényévnyi vastagságú vízrétegre van szükség. Ennek ismeretében Pauli a Kaliforniai Műszaki Intézet látogatása során kijelentette, hogy szörnyű dolgot csinált – előre jelezte egy olyan részecske létezését, amelyet egyáltalán nem lehetett észlelni.

Pauli előrejelzését nem cáfolták meg az 1950-es évek közepéig, amikor az amerikai fizikusok Clyde Cowan és Frederick Reines vezetésével kísérletileg megerősítették a neutrínók létezését (amelyért Reines 1995-ben megkapta a Nobel-díjat, amely előtt Cowan nem élt ). A neutrínók forrása (pontosabban antineutrinos) volt a Savannah River Site nukleáris komplexumának egyik reaktora Dél-Karolinában. E részecskék erőteljes áramlása (10 billió / négyzetcentiméter másodpercenként!) A körülbelül 10 MeV energiával az urán és a plutónium magok béta-bomlása jött létre. Az elmélet azt állítja, hogy amikor protont ütközik, az antineutrinó pozitront és neutront termel (ez az úgynevezett reverz béta-bomlás). Ezeket az átalakításokat sikerült regisztrálni egy tartály segítségével egy kadmium-klorid vizes oldatával, amelyet érzékelők lógtak. Szinte minden antineutrinos akadály nélkül haladt át rajta, de egyes esetekben még mindig kölcsönhatásba lépett a víz részét képező hidrogénmagokkal. Az így létrejövő pozitronok elektronokkal megsemmisülnek, és egy pár gamma-sugarat generálnak. Az újszülött neutronokat a kadmiummagok szívták fel, amelyek különböző frekvenciájú gamma-sugarakat bocsátottak ki.Mindkét frekvencián a gamma-sugárzás hosszú regisztrálása végül lehetővé tette a neutrínia valóságának bizonyítását, amelyről 1956 júniusában a kísérletezők Pauli levelet küldtek külön távirattal.

Napenergia neutrínók keresése

Az USA-ban 1964-ben kísérletet tettek arra, hogy napelem-neutrínókat keressenek, és három évvel később kezdődtek. Raymond Davis vezette, akivel az asztrofizikus John N. Bahcall dolgozott. A Cowan és a Reynes módszer nem volt alkalmas a céljukra, más módot kellett találniuk.

Mi volt a fő nehézség? A nap termonukleáris reakciók révén termeli az energiáját, amely alatt a hidrogént a hélium, a hélium-4 fő izotópává alakítják. Néhány ilyen reakciót a neutrínók születése kísér, amelyek a szárazanyagon áthaladnak és szétszóródnak az űrben. Minden második a Nap felszínéről az űrbe minden második 2 · 10-ben38 neutrínók, a bolygónk három tíz milliárdodjára esik. Ez kb. 60 milliárd másodpercet ad a négyzetcentiméternyi földfelszínhez képest. A termonukleáris ciklus kezdetén azonban szinte minden szoláris neutrínó születik, két proton fúziója alatt (ppciklus), amely a deutérium, a pozitron és az elektron neutrínum magjának születéséhez vezet. Ezeknek a neutrínóknak az energiája nulla-tól 0,42 MeV-ig terjed. Az 1960-as években a kísérletezőknek nem volt képes ilyen alacsony energiájú neutrínók regisztrálására.

Davis és Buckell nukleáris reakciót használt, amelyet 1946-ban Bruno Pontecorvo tekintett a neutrínó kimutatásának eszközére, és három évvel később Luis Alvarec. Ez abból áll, hogy a klór-37 magja elnyeli a neutrínókat és egy elektront bocsát ki, amely az argon-37 magjává változik. Ez az izotóp instabil, és végül ismét klórvá válik, de magjai átlagosan több mint egy hónapig élnek. Ez alatt az idő alatt kémiai módszerekkel különböztethetők meg, és felhasználják a kapott információkat a neutrínófluxus sűrűségének becsléséhez. Igaz, ez a reakció csak akkor valósul meg, ha a neutrínó energia meghaladja a 0,86 MeV-ot, így az első generációs napenergia neuronja nem érzékelhető a segítségével. A szoláris reakciók azonban pp-gyűrű három különböző módon, amelyek általában jelölik, mint ppI, ppII. És II rpIII (2. A ciklus utolsó szakaszában rpIII, egy pozitron, egy neutrínó és egy berillium-8 mag keletkezik, amely azonnal bomlik két héliummagra. Ezeknek a neutrínóknak az energiája elérte a 14 MeV-ot, és ez több, mint elég ahhoz, hogy a klórt argonná alakítsa át.Azonban ezeknek a nagy energiájú részecskéknek a részaránya a napenergia-neutrínók teljes áramlásában csak száz százalékos, ami természetesen bonyolítja a detektálást.

Ábra. 2. A hidrogén héliumba való átalakulásának proton-proton ciklusa a fő szekvenciák mélyén. A ciklus három fő ágát mutatjuk be. Diagram: ru.wikipedia.org

A Davis csapatának számos technikai nehézséget kellett legyőznie. A detektorok működő anyaga perklór-etilén, egy C-vegyülettel rendelkező folyadék2Cl4. 380 000 liter perklór-etilénből álló tartályt egy és fél kilométer mélységben telepítettek a homestakei aranybányában Dél-Dakotában. Körülbelül 10 volt30 klórmagok, és minden második napon az egyikük argonmagváza lett. Ezek a fantasztikusan ritka átalakítások még mindig megtalálhatók! Nem meglepő, hogy a kísérlet több mint húsz éven át nyúlt (bár az első előzetes eredményeket már 1968-ban tették közzé).

Azonban a játék megérte a gyertyát. A Davis-csoport megállapításai nem valami váratlan, de őszintén szólva, szenzációs. A neutrínófluxus mért sűrűsége legalább kétszer olyan kicsi volt, mint az általánosan elfogadott intrasoláris folyamatokból származó érték.Idővel a neutrínó megfigyelő állomások Olaszországban, a Szovjetunióban és Japánban nemcsak megerősítették a napsemleges neutrínók hiányát, hanem különböző mértékű meggyőződéssel azt tapasztalták, hogy fluxus-sűrűsége még kétszer, de körülbelül háromszor kisebb, mint a számított.

A felfedezett ellentmondást az elmélet és a kísérlet között különböző módon értelmezték. Az a magyarázat, amely végül győzedelmeskedett, azon a hipotézisen alapult, amelyet Pontecorvo és Vladimir Gribov 1969-ben terjesztett elő. Amikor a Cowan és Reines csoport befejezte kísérletét, a fizikusok úgy vélték, hogy minden neutrínó azonos. Az 1950-es évek végén azonban a Szovjetunió, az USA és Japán elméletei azt sugallták, hogy a muon termelést kísérő neutrínók eltérnek az elektronokat és pozitronokat kísérő neutrínóktól. Így született meg egy új, muon neutrínó (természetesen és antineutrino) hipotézise. 1961-62-ben a Brookhaven Nemzeti Laboratóriumban megerősítették, 1988-ban pedig Leon Lederman, Melvin Schwartz és Jack Steinberger kapott Nobel-díjat. Tehát a hatvanas évek végén a fizikusok már tudták, hogy a neutrínók nem egy inkarnációban, hanem legalább kettőben léteznek. A Nap mélyén csak az elektronikus neutrínók születnek.Pontecorvo és Gribov azt javasolta, hogy a Földre vezető úton a nap neutrínó egy része muon típusú neutrínóvá alakul. A detektorokról, amelyekről beszéltünk, nem regisztráltuk (vagy csaknem regisztráltuk), így az eredmények kiderült, hogy túl alacsonyak.

Már e hipotézis előrehaladtával kiderült, hogy a muon neutrínó mellett van egy tau neutrínó is. Három különböző neutrínó létezése csak megmagyarázza, hogy a nagy energiájú napenergia-neutrínók mért sűrűsége a vártnál háromszor kisebb volt.

A neutrínók kölcsönös transzformációit neutrínó oszcillációnak nevezzük. Ez csak akkor lehetséges, ha a neutrínóknak nem nulla tömegük van. Ez a következtetés egyszerre érintette a fizikusokat, mivel úgy vélték, hogy a neutrínók tömegtelen részecskék, és ezért, mint a fotonok, mindig a fény sebességében mozognak. Tehát a Davis hosszú távú kísérlete nemcsak napenergia neutrínózt fedezett fel, és így megerősítette a szoláris termonukleáris égés elméletét, hanem egyúttal a részecskefizika területén is alapvető felfedezéshez vezetett.

A proton-proton ciklus első szakaszában született, legfeljebb 0,42 MeV energiájú neutrinok elvileg olyan detektorok segítségével érhetők el, amelyekben a munkahely nem klór-37, hanem gallium-71.Ennek az izotópnak a magja elnyeli az elektron neutrínót, és a germánium-71 magjává alakul, és ennek a reakciónak az energia küszöbe mindössze 0,23 MeV. Ezt a módszert Vladimir Kuzmin, a FIAN fizikusa javasolta 1965-ben, azonban a nagy mennyiségű tiszta gallium megszerzésének nehézsége miatt csak néhány évtized után lehetett alkalmazni. Az ilyen méréseket az 1980-as évek végétől a GALLEX és SAGE létesítményekben végezték, de lehetővé tették számunkra, hogy csak közvetett becsléseket szerezzünk az első generációs neutrínók sűrűségéről. A Borexino, mint már említettük, volt az első eszköz, amely lehetővé tette a részecskék közvetlen regisztrálását.

A szcintillációs detektorok ereje

A Borexino különböző fizikai elveken működik, mint a klór és a gallium eszközök. E létesítményekkel ellentétben olyan neutrínókat fog, amelyek nem vesznek részt nukleáris reakciókban. A detektálóközeg egy szerves folyadék, amelyben a fényszórók a behatoló sugárzás hatására jelennek meg. Az ezzel a tulajdonsággal rendelkező anyagokat szcintillátoroknak vagy foszforoknak nevezik. Mindhárom fajtának semlegesjei, bár nagyon ritkák, még mindig képesek kinetikus energiájuk egy részét továbbadni az anyag azon elektronjai számára, amelyeken keresztül haladnak.Ha egy ilyen anyag egy foszfor, molekuláit izgatják a neutrínók ütközésével, majd visszatérnek a talajállapotba. Ugyanakkor világító kvantumokat bocsátanak ki, amelyeket fotomultiplierek rögzítenek. Az első ilyen telepítés – a KamLand – 2002-ben indult Japánban.

A második neutrínó detektor ilyen típusú volt a Borexino. 278 tonna, rendkívül tiszta szerves foszfátot tartalmaz, amely 8,5 méter átmérőjű gömbölyű nylontartályban van elhelyezve. A tartály egy 13,7 méteres átmérőjű, üreges rozsdamentes acél közepén helyezkedik el, amelynek belső felületén 2012-es fotomultipliereket helyeznek el. A nejlon tartály és a felület közötti hely tele van 889 tonna, nem szcintillációs folyadékkal, amely megvédi a foszfort a fotomultiplierek által létrehozott háttérsugárzástól. Az acélgömb viszont 2100 tonna vizet tartalmazó tartályba merül, melyet Cherenkov sugárzásérzékelőkkel szereltek fel. Ez a külső héj szükséges a kozmikus muonok regisztrálásához és elválasztásához, amelyek – bár kis számban – behatolnak a Gran Sasso földalatti laborjába. A borexino mindhárom típusú neutrínóznak reagál, és különösen nagy érzékenysége van a 2 MeV-nál kisebb energiájú részecskékre.

A Nap központjában a két proton összefolyásakor keletkező neutrínók a Nap központjából érkező részecskék teljes folyásának 90% -át teszik ki. A Borexino Collaboration eredményei, amelyek augusztus 27 – én jelentek meg természet, a 2012. januártól 2013 májusáig gyűjtött kísérleti adatok alapján. A szolittáló folyadékon áthaladó napsemleges neutrínok fényimpulzusokat eredményeztek, amelyeket fotomultiplierek rögzítettek. Ezeknek az adatoknak az elemzése azt mutatja, hogy az első fázisban keletkezett neutrínók voltak kimutathatók. pp-Cycle.

Ez az elemzés egy másik fontos eredményt hozott. Engedélyezte, hogy erősítse meg az elméleti modellt, amely szerint az alacsony energiájú neutrínók, amelyek a napelemen áthaladnak, sokkal lassabban oszcillálnak, mint a nagy energiájú neutrínók. A kísérletben kimutatott neutrínók 64% -a az elektronikus típus. Ez közel kétszerese az elektron neutrínóknak, amelyek a berillium-8 születését kísérik. Mivel ezeknek a neutrínóknak a maximális energiája körülbelül 14 MeV, így sokkal gyorsabban oszcillálnak, ezért ezek a részecskék mintegy kétharmada a Föld közelében a muon neutrínók és tau neutrínók.

A nap neutrínók fő áramlásának regisztrálása nem az olasz detektor első eredménye. 2011-ben az együttműködés tagjai olyan neutrínók kimutatásáról számoltak be, amelyek során a deutérium magja keletkezik, amikor két proton és egy elektron egyesül (elevenség-reaction). Minden olyan deutériummagra, amely ilyen módon született a Nap közepén, körülbelül 400 atommag jelenik meg tisztán proton ütközés esetén, de a maximális neutrínó energia több mint háromszorosa – 1,44 MeV. Ugyanakkor az együttműködés résztvevői bejelentették egy másik ritka, napsugaras neutrínó áramlási paramétereinek pontos mérését, amelyek a fiókban keletkeznek ppII egy olyan reakció során, amelyben a berillium-7 elnyeli az elektronot, és lítium-7-gyel és neutrínókká alakul (az első, majd még közelítő eredményeket a Borexino csapat 2007-ben nyerte).

Mi az eredmény? A fizikusok fél évszázadon keresztül képesek regisztrálni a napsemleges neutrínókat, amelyek mind a négy különböző módon születnek meg a nukleáris transzformációk láncolataiban, amelyek két proton fúziójával kezdődnek (a reakció pp) vagy két proton és egy elektron (reakció elevenség). Neutrinosok, amelyeknek köszönhetően születnek a csatornához ppIII, először a Davis detektor észlelte a Homestake bányában, és minden más a Borexino detektorral. Ezeknek a csatornáknak a teljes egyensúlya ugyanaz: a bemenet négy protont tartalmaz, a kimenet hélium-4 mag, két proton, két elektron neutrínó és 26,7 MeV energia. Ezekben a reakciókban az összes napenergia közel 99% -a generálódik.

Mi a helyzet az utolsó százalékkal? A napsugár középpontjában a hőmérséklet 15 millió fok. Ilyen körülmények között a hidrogén héliumgá és a szén-nitrogén-oxigén ciklus (CNO-ciklus) alakulhat ki. Kezdetben egy proton ütközik egy szén-12 maggal, és egy nitrogén-13 magot és egy gamma-kvantumot hoz létre. A nitrogén bomlik a 13-as szénatom, egy pozitron és egy elektron neutrínum magjába. A nehéz szén magja ismét összeütközésbe kerül egy protonnal, amelyből a nitrogén-14 és a gamma-kvantum jön. A nitrogén lenyeli a harmadik protonot, ami gamma-kvantum és oxigén-15 mag termeléséhez vezet, amely egy nitrogén-15 magra, egy pozitronra és egy másik neutrínóra bomlik. A nitrogénmag megragadja az utolsó, negyedik protonot, és egy szén-12 magra és egy hélium-4 magra oszlik. A teljes egyenleg ugyanaz, mint az első ciklusban – négy protont az elején, egy héliummagot, egy pár pozititot és egy pár neutrínót a végén. Ráadásul természetesen ugyanaz az energiatermelés, 26,7 MeV.A 12-es szén esetében egyáltalán nem fogyasztják ebben a ciklusban, mivel az eltűnik az első reakcióban, és újra megjelenik az utolsóban. Nem üzemanyag, hanem katalizátor.

A CNO-ciklus reakcióiban született neutrínókat még nem fedezték fel. A Borexino együttműködés résztvevői remélik, hogy megoldják ezt a problémát is – talán már az elkövetkező években. Tehát a napsütéses neutrínók nagyon hosszú távú vadászatának lehetősége van a közeljövőben sikeres befejezésére. Kitöltése nagymértékben kiterjeszti csillagunk állapotának neutrínó diagnosztikájának képességeit, de ez egy másik téma. Általában folytatni kell!

Forrás: Borexino Együttműködés. Neutrinok az elsődleges proton-proton fúziós folyamatból a Napban // természet. 2014. V. 512. o. 383-386. DOI: 10.1038 / nature13702

Alexey Levin


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: