Słońce produkuje energię w reakcji fuzji jądrowej, w której wodór zamieniany jest w hel. Może ona zachodzić na dwa sposoby: w tzw. cyklu PP, w którym produkowane jest 99 % energii słonecznej oraz w cyklu CNO, gdzie węgiel, azot i tlen odgrywają rolę katalizatora. W wyniku bezpośredniego pomiaru strumieni neutrin słonecznych typu pp, 7Be i 8B detektorem BOREXINO, potwierdziliśmy wcześniej doświadczalnie występowanie cyklu PP (Nature 512 (2014) 383). Natomiast najnowsze dane eksperymentalne dostarczone przez BOREXINO wskazują jednoznacznie na rejestrację neutrin z cyklu CNO, co jest to pierwszym eksperymentalnym potwierdzeniem istnienia tego źródła energii.
Międzynarodowy zespół BOREXINO z udziałem grupy z Instytutu Fizyki im. M. Smoluchowskiego Uniwersytetu Jagiellońskiego, realizujący w Laboratorium Podziemnym w Gran Sasso włoskiego Istituto Nazionale di Fisica Nucleare eksperyment o tej samej nazwie, opublikował dzisiaj, 25 listopada 2020 roku, w prestiżowym czasopiśmie Nature doniesienie o bezprecedensowej detekcji neutrin z cyklu CNO produkowanych w Słońcu. Ten niezwykle trudny do przeprowadzenia i mający ogromne znaczenie astrofizyczne pomiar, zamyka fascynujący rozdział badań, którego początki sięgają lat trzydziestych ubiegłego wieku. Jego implikacje dla zrozumienia mechanizmu generowania energii w gwiazdach, znacznie większych niż Słońce, są nie do przecenienia. Istotnie, ponieważ w tych gwiazdach cykl CNO jest dominującym źródłem energii, zespół BOREXINO uzyskał doświadczalne potwierdzenie dotyczące występowania głównego procesu spalania wodoru we Wszechświecie.
W ramach działającego od 2007 r. eksperymentu BOREXINO, na drodze pomiaru strumieni neutrin powstających w poszczególnych reakcjach termojądrowych, szczegółowo zbadany został główny mechanizm produkcji energii w Słońcu – w tzw. cyklu PP, który rozpoczyna się od mało prawdopodobnego łączenia się dwóch protonów. Obecnie, dzięki pierwszemu bezpośredniemu pomiarowi względnie niewielkiego strumienia neutrin z cyklu CNO, zespół BOREXINO dowiódł istnienia tego dodatkowego źródła energii słonecznej.
„Po wielu latach pomiarów uzyskaliśmy wreszcie pierwsze doświadczalne potwierdzenie sposobu wytwarzania energii przez gwiazdy cięższe od Słońca” - podkreślił prof. Gianpaolo Bellini z Uniwersytetu w Mediolanie oraz INFN, jeden z głównych inicjatorów projektu BOREXINO.
„Pierwszy bezpośredni i dokładny pomiar strumienia neutrin typu pp z podstawowej reakcji termojądrowej zachodzącej w naszej najbliższej gwieździe był ogromnym sukcesem, natomiast rejestracja neutrin z cyklu CNO jest zwieńczeniem naszych ponad 25-letnich badań nad neutrinami słonecznymi. Niezwykłą intelektualną przygodą jest uczestniczenie w potwierdzeniu fundamentalnych przewidywań związanych ze strukturą gwiazd” - powiedział Marcin Wójcik, profesor Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie, laureat Nagrody Premiera RP za wybitne osiągnięcie naukowe związane z eksperymentem BOREXINO. „Od 1994 roku grupa BOREXINO z Instytutu Fizyki UJ w Krakowie, uzyskując finansowanie w ramach kilku grantów NCN, odgrywała kluczową rolę w projektowaniu i budowie detektora oraz jego infrastruktury. We współpracy z Instytutem Fizyki Jądrowej im. Maxa Plancka w Heidelbergu i Uniwersytetem w Princeton uzyskaliśmy bezprecedensową czystość detektora ze względu na poziom zawartości izotopów promieniotwórczych” - podkreślił profesor M. Wójcik.
Neutrina słoneczne mogą być obserwowane jedynie przez bardzo czułe detektory, w których wyeliminowano większość źródeł tła. Poprzez tło rozumiemy wszelkie procesy, które mogą imitować sygnał od neutrin, a głównymi jego źródłami jest promieniowanie kosmiczne oraz naturalna promieniotwórczość. Aby wyeliminować pierwszy z tych czynników, detektor umieszczony został w Laboratorium Podziemnym w Gran Sasso - gruba warstwa skał, która go osłania, osłabia promieniowanie kosmiczne ponad milion razy (z wyjątkiem neutrin, które przenikają Ziemię bez przeszkód). Aby zminimalizować wpływ naturalnej promieniotwórczości, detektor BOREXINO został zbudowany w kształcie przypominającym cebulę; jego kolejne warstwy w kierunku środka odznaczają się coraz większą radio-czystością. Centralne 300 ton, w których obserwujemy oddziaływania neutrin, jest praktycznie wolne od promieniotwórczości, co nigdy do tej pory nie zostało osiągnięte w żadnym innym eksperymencie, i co otworzyło nam możliwość rejestracji neutrin typu CNO. „Stężenie radioizotopów w 300 tonach ciekłego scyntylatora, w którym rejestrowane są neutrina słoneczne, jest o ponad osiemnaście rzędów wielkości niższe, niż w stołowej wodzie mineralnej. Jest to globalnie najczystsza znana materia pod względem zawartości izotopów promieniotwórczych,” - zauważył dr hab. Grzegorz Zuzel, prof. UJ, współautor badań o fundamentalnym znaczeniu dla eksperymentu BOREXINO, prowadzonych przez niego w Krakowie i w Heidelbergu.
„Pomiar strumienia neutrin z cyklu CNO, oprócz bezprecedensowo niskiego tła detektora, wymagał zastosowania zaawansowanych i nowatorskich softwarowych metod analizy danych” - podkreślił dr Marcin Misiaszek, który wraz z dr Anną Jany odpowiedzialny jest za analizę i zarządzanie zbiorami danych z eksperymentu. Dr Misiaszek jest autorem m.in. nowatorskich metod software’owego rozróżnienia sygnałów generowanych przez neutrina oraz inne źródła.
80 lat historii badań nad źródłem energii Słońca
Istnienie cyklu CNO w Słońcu zostało przewidziane już w 1938 roku, niezależnie przez Hansa Bethego i Carla von Weizsaeckera. W tym cyklu, jądra węgla, azotu i tlenu miały odgrywać rolę katalizatorów w seriach reakcji jądrowych zachodzących w Słońcu, prowadzących do spalania wodoru do helu, równocześnie z fuzją wodoru w głównym cyklu PP.
Mimo pośredniej ewidencji wynikającej z obserwacji astronomicznych i astrofizycznych, bezpośrednie doświadczalne potwierdzenie produkcji energii w cyklu CNO w gwiazdach nie było łatwe. Dopiero zapoczątkowany przez R. Davisa w latach 60-tych ubiegłego wieku rozwój astronomii neutrinowej i jej spektakularne sukcesy w dziedzinie fizyki Słońca i fizyki cząstek elementarnych (trzy nagrody Nobla), umożliwił potwierdzenie występowania cyklu CNO w oparciu o emitowane w poszczególnych reakcjach neutrina.
Eksperyment BOREXINO, który jest bliski finalizacji swojego programu naukowego, ujawnił w trakcie jego realizacji nie tylko szczegóły działania Słońca, lecz pozostawia w dziedzinie fizyki neutrin trwałe dziedzictwo poprzez obserwację po raz pierwszy neutrin z cyklu PP i CNO. To rewolucyjne osiągnięcie uzyskane w oparciu o imponujący wysiłek eksperymentalny, pozostanie dla przyszłości jednym z fundamentalnych sukcesów w dziedzinie astrofizyki i fizyki cząstek elementarnych.
W trakcie fascynującej przygody rozwikływania tajemnic Słońca i gwiazd, która trwała niemal wiek, obserwacje neutrin słonecznych pozwoliły także wykryć zjawisko ich oscylacji, które do tej pory jest jednym z największych odkryć w dziedzinie fizyki cząstek w nowym tysiącleciu.
Badania prowadzone w ramach eksperymentu BOREXINO przez grupę z IF UJ finansowane są przez Narodowe Centrum Nauki w ramach programów Harmonia i Sonata-bis.