Saulės neutrinų gaudymas: istorinė retrospektyva • Aleksejus Levinas • Mokslo naujienos apie "Elementus" • Fizika, mokslo istorija

Saulės neutrinų gaudymas: istorinė retrospektyva

Neutrino jutiklis Borexino. Centre yra sferinis nailono konteineris su itin grynu organiniu fosforu. Arčiau prie vaizdo briaunos matosi nerūdijančio plieno rutulys, ant kurio montuojami fotomultiplius. Nuotraukos iš news.sciencemag.org

Rugpjūčio 27 d. Žurnale Gamta Straipsnyje pasirodė tarptautinio bendradarbiavimo dalyviai, dirbantys Borexino neutrinų detektoriuje Italijos pogrindžio "Gran Sasso" nacionalinėje laboratorijoje. Šios grupės nariai, tarp jų ir Rusijos mokslinių tyrimų centrų darbuotojai, pranešė apie pirmąją tiesioginę neutrinų registraciją, kuri gimė pirminėje branduolinių reakcijų grandinėje, dėl kurios išleidžiama beveik visa Saulės centre sukurta energija. Taigi, jie ėmėsi ryžtingų žingsnių, kad užbaigtų programą, skirtą išsamiai aptikti saulės kilmės neutrino srautus. Ši programa pradėjo būti įgyvendinta būtent prieš pusę šimtmečio ir tapo ilgiausiu tyrimų projektu visoje astrofizikos istorijoje.

Vaiduoklis dalelė

Wolfgangas Pauli išreiškė hipotezę, kad 1930 m. Gruodžio mėn. "Lengvoji neužpildyta dalelė su pusiau nugara" yra "paskutinė priemonė" (jo paties žodžiai)galintis paaiškinti akivaizdų energijos taupymo ir kampinio momento pažeidimus atominių branduolių beta pasklidimo procesuose. Jis pats pavadino šią dalelę neutronu, tačiau po kelių mėnesių Enrico Fermi už jį atsiuntė vardą "neutrino", kurį priėmė fizikai (tikrasis neutronas buvo atrastas Jamesas Chadwikas tik 1932 m.). Tuo pačiu metu Chadwickas pradėjo pirmąjį neutrinų aptikimo eksperimentą Cavendisho laboratorijoje. Nepavykęs aptikti šios dalelės, jis padarė išvadą, kad jis gali skraidyti ne mažiau kaip 150 kilometrų ore be susidūrimo su bet kuriuo atomu. Maurice Namias atliko Londono požemyje trisdešimties metrų gylyje esančius panašius matavimus ir padidino laisvą neutrino kelią ore iki daugiau nei devynių tūkstančių kilometrų (tai buvo pirmasis požeminis fizikos istorijos eksperimentas elementarių dalelių užregistravimui). Teorininkai Hansas Bethe ir Rudolphas Peierlsas, kuris apskaičiavo, kad norint užtikrinti neutrinų absorbciją su kelių MeV energijomis, reikia daugiau vandens, kurio storis yra tūkstantis šviesmečių. Sužinojęs apie tai, Pauli, apsilankius Kalifornijos technologijos institute, pareiškė, kad padarė baisų dalyką – jis numatė, kad egzistuoja dalelė, kurios neįmanoma aptikti.

Pauli prognozė nebuvo paneigta iki 50-ųjų vidurio, kai Amerikos fizikai, vadovaujami Clyde Cowan ir Frederick Reines, eksperimentiniu būdu patvirtino neutrinų egzistavimą (už kuriuos Reines 1995 m. Gavo Nobelio premiją, iki kurios Cowan negyveno ) Neutrino šaltinis (tiksliau, jie buvo antineutrinos) buvo vienas iš Savannah upės aikštelės branduolinio komplekso Pietų Karolinoje reaktorių. Galingi šių dalelių srautai (10 trilijonų kvadratiniam centimetrui per sekundę!) Maždaug 10 MeV energijos generuoja urano ir plutonio branduolių beta pasklidimas. Teorija teigia, kad kai ji susiduria su protonu, antineutrinas gamina pozitroną ir neutroną (tai yra vadinamasis atvirkštinis beta pasklidimas). Būtent tokius pokyčius pavyko užregistruoti naudojant konteinerį su vandeniniu kadmio chlorido tirpalu, sumontuotu su jutikliu. Beveik visi antineutrinos perėję be kliudymo, tačiau kai kuriais atvejais jie vis dar bendravo su vandenilio, kuris yra vandens dalis, branduolius. Gauti positronai anikūnuoja elektronus, gaminant porą gama kvantu. Naujai atsiradusius neutronus absorbavo kadmio branduoliai, kurie išskyrė skirtingo dažnio gama spindulius.Ilgas abiejų dažnių gama spindulių registravimas galiausiai leido įrodyti neutrino tikrovę, apie kurią 1956 m. Birželio mėn. Eksperimentai pranešė Pauliui specialia telegrama.

Ieškoti saulės neutrinų

1964 m. JAV pasiūlė bandymą ieškoti saulės neutrinų ir prasidėjo trejus metus. Ją vadovavo Raymond Davis, su kuriuo dirbo astrofizikas John N. Bahcall. Cowan ir Reynes metodas buvo netinkamas jų tikslams, jie turėjo rasti kitą kelią.

Koks buvo pagrindinis sunkumas? Saulė generuoja savo energiją per termobranduolines reakcijas, kurios metu vandenilis virsta pagrindiniu helio, heliu-4 izotopu. Kai kurias iš šių reakcijų lydi neutrinų, kurie praeina per saulės materenciją ir išsibarsčiusios erdvėje, gimimas. Kiekvieną sekundę nuo saulės paviršiaus į erdvę kas antrą 2 · 1038 neutrinai, kuriuose trys dešimt milijardadaliai šio srauto nukrenta mūsų planetai. Tai suteikia apie 60 milijardų sekundžių vienam kvadratiniam centimetrui žemės paviršiaus. Tačiau beveik visi saulės neutrinai gimsta pačioje termobranduolinio ciklo pradžioje, kai du protonai sujungti (pciklas), dėl kurio gimsta deuterio branduolys, positronas ir elektroninis neutrinas. Šių neutrinų energija yra nuo nulio iki 0,42 MeV. 1960 m. Eksperimentuotojai negalėjo registruoti tokios mažos energijos neutrinų.

Davisas ir Buckellas panaudojo branduolinę reakciją, kurią 1946 m. ​​Bruno Pontecorvo laikė neutrinų aptikimo priemone, o po trejų metų – Luisas Alvarecas. Tai susideda iš to, kad chloro-37 branduolys sugeria neutrinus ir išmeta elektroną, paverčiant argono 37 branduoliu. Šis izotopas yra nestabilus ir galiausiai vėl virsta chloru, bet jo branduoliai vidutiniškai gyvena ilgiau nei mėnesį. Per šį laiką juos galima atskirti cheminiais metodais ir naudoti gautą informaciją, norint įvertinti neutrininio srauto tankį. Tiesa, ši reakcija vyksta tik tuo atveju, jei neutrinino energija viršija 0,86 MeV, todėl jo pirmosios kartos saulės neurino negalima aptikti su jo pagalba. Tačiau saulės reakcijos pCiklas eina trimis skirtingais būdais, kurie paprastai vadinami pAs pII ir pIII (2 pav.). Paskutiniame ciklo etape pIII, positronas, neutrinas ir berilio-8 branduolys, kuris tuoj pat suskaido į du helio branduolius. Šių neutrinų energija siekia 14 MeV, o tai yra daugiau nei pakankamai, kad chloras būtų paverstas argonu.Tačiau šių didelės energijos dalelių dalis bendroje saulės neutrinų srautoje sudaro tik šimtąja procento, o tai natūraliai apsunkina jų aptikimą.

Pav. 2 Protonų-protonų ciklas, perduodantis vandenilį į heliumą pagrindinės sekos žvaigždžių gylyje. Parodytos trys pagrindinės ciklo sritys. Diagrama iš ru.wikipedia.org

"Davis" komanda turėjo įveikti daugybę techninių sunkumų. Darbinė jų detektorių medžiaga buvo perchloretilenas, skystis, turintis cheminę C formulę2Cl4. "Homestake" aukso kasykloje Pietų Dakotoje buvo užfiksuotas pusės kilometrų gylis su 380 000 litrų perchloretileno. Jame buvo apie 1030 chloro branduoliai ir kas dvi dienas viena iš jų paverčia argono branduoliu. Šių fantastiškai retų transformacijų vis dar buvo galima rasti! Nenuostabu, kad eksperimentas išsiplėtė daugiau nei dvidešimt metų (nors pirmieji preliminarūs rezultatai buvo paskelbti jau 1968 m.).

Tačiau žaidimas buvo vertas žvakės. Daviso grupės išvados nebuvo kažkas netikėtai, bet, tiesą sakant, sensacinga. Išmatuotas neutrininio srauto tankis pasirodė esąs mažiausiai du kartus mažesnis už vertę, gautą iš visuotinai priimto intraląstelinio proceso modelio.Laikui bėgant, neutrino observatorijos Italijoje, TSRS ir Japonijoje ne tik patvirtino saulės neutrinų trūkumą, bet ir įvairios įtikinumo laipsnio parodė, kad jų srauto tankis nėra net du kartus, bet maždaug tris kartus mažesnis nei apskaičiuotas.

Išryškėjęs teorijos ir eksperimento prieštaravimas buvo bandomas interpretuoti įvairiais būdais. Paaiškinimas, kuris galiausiai buvo triumfuotas, buvo pagrįstas hipoteze, kad Pontecorvo ir Vladimiras Gribovas 1969 m. Kai grupė Cowan ir Reines baigė savo eksperimentą, fizikai tikėjo, kad visi neutrinai yra vienodi. Tačiau 1950-ųjų pabaigoje TSRS, JAV ir Japonijos teoretikai pasiūlė, kad miuono gamybai priklausantys neutrinai skiriasi nuo elektronų ir positronų. Taigi atsirado hipotezė apie naują miuono neutriną (natūraliai ir antineutrino). 1961-62 m. Tai buvo patvirtinta Brookhaveno nacionalinėje laboratorijoje, o 1988 m. Leon Lederman, Melvin Schwartz ir Jack Steinberger gavo Nobelio premiją už tai. Taigi, 1960 m. Pabaigoje, fizikai jau žinojo, kad neutrinai egzistuoja ne viename įsikūnijime, bet mažiausiai du. Saulės gelmėse gimsta tik elektroniniai neutrinai.Pontecorvo ir Gribovas pasiūlė, kad kelyje į Žemę dalis saulės neutrino transformuojama į miuono tipo neutriną. Detektoriai, apie kuriuos kalbėjome, jų neįregistravo (arba beveik nepranešė), todėl rezultatai pasirodė per maži.

Jau pasibaigus šiai hipotezei paaiškėjo, kad be miuono neutrinų yra ir tau neutrinas. Trijų skirtingų neutrinų egzistavimas paaiškina, kodėl išmatuotas didelio energijos saulės neutrinų tankis buvo apie tris kartus mažesnis nei tikėtasi.

Abipusis neitrino transformavimas vadinamas neutrinų svyravimais. Jos yra įmanomos tik tuo atveju, jei neutrinai turi nulio masę. Ši išvada iškrito fizikams tuo metu, nes buvo manoma, kad neutrinai yra be massless dalelių ir todėl, kaip fotonai, visada judėti šviesos greičiu. Taigi Daviso ilgalaikis eksperimentas ne tik atrado saulės neutrinus ir taip patvirtino saulės termobranduolinio deginimo teoriją, bet taip pat atvedė į pagrindinį atradimą dalelių fizikos srityje.

Paprastai protonų-protonų ciklo pirmojoje stadijoje gimę neitrino, kurių energija neviršija 0,42 MeV, gali būti sugauta naudojant jutiklius, kurių veikianti medžiaga yra ne chloras-37, o galisas-71.Šio izotopo branduolys gali absorbuoti elektroninį neutriną ir paversti germaniumo-71 branduoliu, o šios reakcijos energijos slenkstis yra tik 0,23 MeV. Šis metodas buvo pasiūlytas FIANO fiziko Vladimiro Kuzmino dar 1965 m., Tačiau dėl sunkumų gauti gausių grynojo galo kiekį jis galėjo būti taikomas tik po kelerių dešimtmečių. Tokie matavimai buvo atlikti nuo devintojo dešimtmečio pabaigos "GALLEX" ir "SAGE" įrenginiuose, tačiau jie leido mums gauti tik netiesioginius pirmosios kartos saulės neutrinų tankio įvertinimus. Kaip jau minėta, Borexino buvo pirmasis įrenginys, leidžiantis tiesiogiai registruoti šias daleles.

Švitinimo detektorių galia

Borexinas veikia skirtingais fiziniais principais, negu chloro ir galio prietaisai. Skirtingai nuo šių įrenginių, sugaunami neutrinai, kurie nėra įtraukti į branduolines reakcijas. Joje esanti aptikimo terpė yra organinis skystis, kuriame šviesos spinduliai atsiranda veikiant spinduliavimui. Medžiagos, turinčios šį turtą, vadinamos scintiliatoriais arba fosforais. Visų trijų veislių neutrinos, nors ir labai reti, vis tiek gali perduoti dalį savo kinetinės energijos į medžiagos, per kurią jos patenka, elektronus.Jei tokia medžiaga yra fosforas, jo molekulės susiduria su susidūrimais su neutrinomis ir tada grįžta į pagrindinę būseną. Tuo pačiu metu jie išskiria šviesos kvantus, kuriuos užfiksuoja fotomultiplikatoriai. Pirmasis tokio įrengimo – KamLand – buvo pradėtas Japonijoje 2002 metais.

Antrasis tokio tipo neutrinino detektorius buvo Borexino. Jame yra 278 tonų itin gryno organinio fosforo, įdėto į sferinę nailono talpyklą, kurios skersmuo yra 8,5 metrai. Talpykla yra tuščiavidurio nerūdijančio plieno rutulio, kurio skersmuo yra 13,7 metrai, centre, ant vidinio paviršiaus, kuriame yra 2012 m. Fotomultipliuotojai. Erdvė tarp nailono talpyklos ir šio paviršiaus užpildyta 889 tonų nesenstiliacijos skysčio, kuris apsaugo fosforą nuo fono spinduliuotės, kurią generuoja fotomultiplius. Plieninis rutulys savo ruožtu yra panardintas į 2100 tonų vandens cisterną, aprūpintą Čerenkovo ​​radiacijos detektoriais. Šis išorinis apvalkalas reikalingas kosminių miuonų registravimui ir atskyrimui, kuris, nors ir nedaug, prasiskverbia į Gran Sasso požeminę laboratoriją. Borexinas reaguoja į visų trijų tipų neutrinus ir turi ypač didelį jautrumą dalelėms, kurių energija yra mažesnė nei 2 MeV.

Neutrinos, atsirandančios Saulės centre dviejų protonų santuokoje, sudaro maždaug 90% viso šių dalelių srauto iš Saulės centro. "Borexino Collaboration" išvados, paskelbtos rugpjūčio 27 d Gamta, remiantis eksperimentiniais duomenimis, surinktais nuo 2012 m. sausio mėn. iki 2013 m. gegužės mėn. Saulės neutrinai, pravažiuodami per spinduliavimo skysčiu, sukūrė šviesos blykstę, kurią užfiksavo fotomultipliuotojai. Šių duomenų analizė rodo, kad pirmame etape susidariusios neutrinai buvo aptiktos. pciklas

Ši analizė suteikė dar vieną svarbų rezultatą. Jis leido patvirtinti teorinį modelį, pagal kurį mažai energijos neutridrai, praeinantys saulės energijos, virpina daug lėčiau negu didelio energijos neutrinai. 64% šiame eksperimente aptiktų neutrinų yra elektroninio tipo. Tai yra beveik dvigubai daugiau elektroninių neutrinų, kurie pridedami prie berilio-8 gimimo. Kadangi didžiausia šių neutrinų energija, kaip jau buvo minėta, yra apie 14 MeV, jie svyruojasi daug greičiau, todėl apie du trečdalius šių dalelių netoli Žemės užfiksuojami kaip muun neutrinai ir tau neutrinai.

Saulės neutrinų pagrindinio srauto registravimas nebuvo pirmasis itališko detektoriaus rezultatas. 2011 m. Bendradarbiaujantys nariai pranešė apie neutrinų aptikimą reakcijos metu, kai deuterio branduolys kyla, kai du protonai ir elektronas sujungia (pepreakcija). Kiekvienam deuterio branduoliui, kuris šitaip gimsta Saulės centre, yra apie 400 branduolių, esančių grynai protonų susidūrimuose, tačiau maksimali neutrininė energija yra daugiau nei tris kartus didesnė – 1,44 MeV. Tuo pačiu metu bendradarbiavimo dalyviai paskelbė tikslų srauto parametrų matavimą kitai retai saulės neutrinų įvairovei, kuri kyla šakoje pII reakcijos metu, kai beriliumas-7 sugeria elektroną ir virsta ličio-7 ir neutrinomis (2007 m. Borexino komanda surinko pirmuosius ir net apytikrius tokio pobūdžio rezultatus).

Koks yra rezultatas? Pusę šimtmečio fizikai sugebėjo užregistruoti saulės neutrinus, kurie brandinami per keturias skirtingas branduolinių transformacijų grandines, pradedant dviem protonais (reakcija p) arba du protonai ir elektronas (reakcija pep) Neutrinos, kurios turi savo gimimo kanalą pIII, pirmą kartą buvo aptiktas Deiviso detektorius Homestake kasykloje, o visi kiti – Borexino detektorius. Bendras visų šių kanalų balansas yra toks pats: įėjimas turi keturis protonus, išvestis yra heliu-4 branduolys, du protonai, du elektroniniai neutrinai ir 26,7 meV energijos. Šių reakcijų metu susidaro beveik 99% visos saulės energijos.

Ką apie paskutinį procentą? Saulės šerdies centrinės dalies temperatūra yra 15 milijonų laipsnių. Esant tokioms sąlygoms, vandenilis gali virsti heliu ir anglies-azoto-deguonies ciklu (CNO ciklas). Pradžioje protonas susiduria su anglies-12 branduoliu ir generuoja azoto-13 branduolį ir gama-kvantą. Azotas patenka į anglies-13 branduolį, positroną ir elektroninį neutriną. Kietojo anglies branduolys vėl susiduria su protonu, iš kurio ateina azoto-14 plius gama-kvantas. Azotas sugeria trečiąjį protoną, dėl kurio gamina gama-kvantą ir deguonį-15 branduolį, kuris suskaidomas į azoto-15 branduolį, positroną ir kitą neutriną. Azoto branduolys fiksuoja paskutinį, ketvirtąjį protoną ir suskaidomas į anglies-12 branduolį ir helium-4 branduolį. Bendras balansas yra toks pats kaip ir pirmojo ciklo metu – keturi protonai pradžioje, helio branduolys, poros positronų ir porų neutrinų pabaigoje. Be to, žinoma, ta pati energija yra 26,7 meV.Kalbant apie anglies dvideginio 12, šiame cikle jis nėra sunaudojamas, nes jis išnyksta pirmoje reakcijoje ir vėl pasirodo paskutiniame. Tai nėra kuro, bet katalizatorius.

Neutrinos, gimę CNO ciklo reakcijose, dar nebuvo atrasti. Borexino bendradarbiavimo dalyviai tikisi išspręsti šią problemą – galbūt jau artimiausiais metais. Taigi labai ilgai išplėtota saulės neutrinų medžioklė turi galimybę sėkmingai baigti netolimoje ateityje. Jo užbaigimas labai padidins mūsų žvaigždės būklės neutrinų diagnostikos galimybes, tačiau tai dar viena tema. Apskritai, tęsti!

Šaltinis: Borexino bendradarbiavimas. Neutrinos nuo pirminio protonų-protonų suliejimo proceso Saulėje // Gamta. 2014. V. 512. P. 383-386. DOI: 10.1038 / nature13702

Aleksejus Levinas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

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