Naukowcy biorący udział w eksperymencie BOREXINO prowadzonym w laboratorium podziemnym w Gran Sasso ok. 130 km na wschód od Rzymu, publikują dzisiaj, 25 października, na łamach ”Nature” kompendium swoich wyników na temat neutrin słonecznych. Ponad dziesięć lat działalności naukowej skupiającej się na badaniu wnętrza Słońca zaowocowało szczegółowym, nieosiągniętym jak dotąd zrozumieniem mechanizmu jego działania. Dzięki najnowszej publikacji, BOREXINO 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 (zapachu) w inny.
Detektor BOREXINO rejestruje neutrina słoneczne nieprzerwanie od 2007 roku. Zebrane dane umożliwiają bezpośrednią obserwację wnętrza Słońca w neutrinach. Można je wykorzystać zarówno do sformułowania ważnych stwierdzeń dotyczących procesów odpowiedzialnych za produkcję energii w Słońcu, jak i do zbadania własności samych neutrin. “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.
Neutrina są prawdopodobnie najbardziej powszechnymi cząstkami elementarnymi we Wszechświecie. 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 ilości docierających do nich neutrin mogą generować mierzalną ilość interakcji, nadają się do ich badań. Jednym z takich detektorów jest BOREXINO. Aby móc rejestrować oddziaływania neutrin, poziom jego naturalnej radioaktywności musiał zostać zmniejszony o kilka rzędów wielkości. Aby osłonić się przed promieniowaniem kosmicznym, detektor umieszczony został 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. M. Wójcik.
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 w rzeczywistości zaprojektowany był tylko do pomiaru strumienia monoenergetycznych neutrin 7Be. Stopniowo jednak poprawiano czułość eksperymentu, aby w końcu umożliwić pomiar wszystkich strumieni neutrin z całego cyklu PP. Równoczesny pomiar w czasie rzeczywistym i z niezwykłą dokładnością, w pojedynczym eksperymencie, strumieni neutrin o nazwach pp, 7Be, pep i 8B, pozwala wyjaśnić działanie Słońca, definitywnie odpowiadając na odwieczne pytanie o mechanizm, który sprawia, że świeci ono 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. Jest to tzw. efekt MSW (Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein). Szczególnym jest to, iż w całkowicie autonomiczny sposób, wykorzystując jedynie własne dane, potrafimy opisać ciągłe przejście pomiędzy dwoma obszarami oscylacji neutrin: w "próżni" i w "materii".
“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. M. Wójcik.
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.
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 % 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 Zakładu Doświadczalnej Fizyki Komputerowej Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego pod kierunkiem Prof. Marcina Wójcika.
Krakowska grupa Borexino:
http://zdfk.if.uj.edu.pl
Experyment Borexino:
http://borex.lngs.infn.it
Artykuł dostępny jest na stronie internetowej Nature: https://www.nature.com/articles/s41586-018-0624-y