Köz­vet­le­nül is de­tek­tál­ták a leg­fon­to­sabb nap­ne­ut­rí­nó­kat

245

Az egyik legérzékenyebb detektor adatai alapján amerikai kutatóknak közvetlenül is sikerült detektálniuk a Nap energiatermelésében legfontosabb szerepet játszó proton-proton ciklus során keletkező neutrínókat.

Az egyik legérzékenyebb detektorral, az olasz Appeninekben található Gran Sasso laboratóriumban működő Borexino-kísérletben egy népes nemzetközi fizikusgárdának közvetlenül is sikerült detektálni azokat a neutrínókat, amelyek a Nap termonukleáris energiatermelésének nagy részét adó proton-proton (pp) ciklusban keletkeznek. Andrea Pocar (University of Massachusetts Amherst), a kutatócsoport vezetőjének magyarázata szerint a pp-ciklus az első eleme annak a reakcióláncnak, amelynek során a csillagunk által kibocsátott energia 99 százaléka termelődik. Az ún. szoláris neutrínók nem csak a magban zajló fúziós folyamatok eredményeként jönnek létre, de ezen folyamatok különböző elemeinek radioaktív bomlásai is szolgáltatnak ilyen elemi részecskéket, amelyek árama közel fénysebességgel hagyja el a Napot, a Föld távolságában 1 négyzetcentiméter felületen pedig minden másodpercben közel 70 milliárd halad át belőlük. Mivel csak gyenge kölcsönhatásban vesznek részt, a “közönséges” anyaggal gyakorlatilag semmilyen reakcióba nem lépnek, ezért nagyon nehezen detektálhatók, illetve különböztethetők meg a normál anyag radioaktív bomlásának termékeitől.

Az új mérési eredmények alapján azonban közvetlenül tanulmányozhatjuk a Nap rendkívül sűrű és forró magjában zajló legnagyobb energiatermelő folyamat részleteit. Érdekesség, hogy míg a csillagunk felszínéről elektromágneses hullámok formájában elinduló energiának csak nyolc percnél kicsivel több idő kell, hogy megtegye a mintegy 150 millió kilométeres távolságot bolygónkig, a Nap belsejét alkotó plazmában több tízezer év szükséges ahhoz, hogy a magban termelt energiát szállító fotonok megtegyék a fotoszféráig terjedő néhány százezer kilométert. Pocar szerint ezért a kétféle energiatranszfer – a neutrínók és az elektromágneses hullámok – összehasonlításával a Nap százezer éves időskálájú termodinamikai stabilitását tanulmányozhatjuk.

Jelenlegi tudásunk szerint a Nap magjában zajló folyamatokról csak a neutrínók megfigyelése alapján szerezhetünk információt. A pp-neutrínók akkor keletkeznek, amikor két proton deutériummá egyesül, detektálni azonban nagyon nehéz őket, energiájuk ugyanis abba a tartományba esik, ahova a természetes radioaktivitásból származó részecskéké is, amelyek így jórészt elfedik a keresett jelet. A Borexino-kísérletben a szoláris neutrínók rendkívül nagy tisztaságú szerves folyadék elektronjaival lépnek kölcsönhatásba, amelynek tartálya egy nagy, körülbelül ezer tonna vízzel feltöltött gömb középpontjában helyezkedik el. A berendezés feletti, 3,8 kilométer vastagságú vízrétegnek megfelelő szikla és a 278 tonnányi trimetil-benzolt hagymahéjszerűen körülvevő védőrétegek gondoskodnak arról, hogy a különböző sugárzásoktól is védve legyen a detektor.

20140902_kozvetlenul_is_detektaltak_a_legfontosabb_napneutrinokat_1
A kutatóknak először sikerült közvetlenül detektálniuk a Nap energiatermelésének túlnyomó részét szolgáltató ún. proton-proton (pp) ciklusban keletkező szoláris neutrínókat. (NASA/SDO)

A Borexino az egyetlen detektor, amely képes a teljes szoláris neutrínóspektrumot szimultán módon észlelni. A Napból háromféle neutrínó érkezik. A magban keletkező és onnan eltávozó ún. elektron-neutrínók kifele haladva két, az ún. müon- és tau-neutrínó állapot között oszcillálnak. A korábbi kísérletekkel karöltve Pocar szerint a Borexino-mérés teljes mértékben alátámasztotta ezt az elképzelést. Ennek során a legnagyobb kihívást a háttérsugárzás pontos figyelembe vétele, illetve kontrollálása jelentette. A detektorként funkcionáló benzolszerű folyadékot több millió éves petróleumból állították elő. Erre azért volt szükség, hogy a folyadékban biztosan ne legyen mérhető mennyiségű 14-es tömegszámú radioaktív szén, mivel ennek béta-bomlása során keletkező neutrínók elnyomnák a detektálni kívánt jelet. A berendezésben a trimetil-benzol olyan tisztaságú, hogy milliárdszor milliárd atomból mindössze csak három 14-es szén. Szintén ezzel kapcsolatos probléma, hogy ha két 14-es szénatom éppen egyszerre bomlik, akkor a “pile-up” (tömegkarambol) névvel illetett esemény következik be, amelynek hatása hasonlít a pp szoláris neutrínók által okozott kölcsönhatáshoz. A kutatóknak azonban egy statisztikai eljárással sikerült ezt az adatokról leválasztani, tulajdonképpen ez tette lehetővé a pp-neutrínók közvetlen detektálását, így a Nap belsejében zajló folyamatokról alkotott elképzeléseink megerősítését is.

20140902_kozvetlenul_is_detektaltak_a_legfontosabb_napneutrinokat_2
A szoláris neutrínók energiaspektruma. A függőleges tengelyen a fluxus a folytonos energiaeloszlású forrásokra cm-2s-1MeV-1, míg a monoenergetikus forrásokra cm-2s-1 egységekben van megadva. Zárójelekben a bizonytalanságok vannak feltüntetve százalékban. (Pocar és mtsai, 2014)

Az eredményeket részletező szakcikk a Nature magazin 2014. augusztus 28-i számában jelent meg.

Forrás:

Hozzászólás

hozzászólás