19.02.2023 w Dniu Nauki Polskiej, Minister Edukacji i Nauki wręczył nagrody wybitnym uczonym reprezentującym różne dziedziny wiedzy. Za znaczące osiągnięcia w zakresie działalności naukowej uhonorowano zespół z Wydziału FAIS UJ:

- prof. dr hab. Marcin Wójcik

- dr hab. Grzegorz Zuzel, prof. UJ

- dr Marcin Misiaszek

 

Nagrodę przyznano za: Fundamentalny wkład do eksperymentu BOREXINO, który umożliwił pomiary strumieni neutrin słonecznych typu pp i CNO

 

Eksperyment BOREXINO został zaprojektowany do pomiaru niskoenergetycznych (E ~ 1 MeV) neutrin słonecznych w czasie rzeczywistym. Pomiar taki jest niezwykle trudny ze względu na bardzo mały przekrój czynny na oddziaływanie neutrin z materią (~10-44 cm2 na reakcję elastycznego rozpraszania (n,e) wykorzystywaną w eksperymencie) oraz na duże tło generowane w tym zakresie energii przez rozpady izotopów promieniotwórczych. Przykładowo, elektrony emitowane w rozpadach beta są nieodróżnialne od tych, pochodzących z rozpraszania (n,e). Biorąc pod uwagę niewielki oczekiwany sygnał, masa detektora musi być rzędu kilkuset ton a zawartość izotopów promieniotwórczych (głównie naturalnych) w materiałach wykorzystanych do jego budowy musi być o 10 rzędów wielkości niższa, niż ta z którą mamy do czynienia na co dzień. Aby wyeliminować wpływ promieniowania kosmicznego detektor został umieszczony w podziemnym laboratorium we Włoszech (Laboratori Nazionali del Gran Sasso), gdzie dostarcza danych od 2007 roku. Prace projektowe oraz konstrukcję detektora rozpoczęto w połowie lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku.

 

Dzięki pracom badaczy z Instytutu Fizyki UJ (laureaci nagrody) udało się osiągnąć bezprecedensowo niskie tło detektora BOREXINO i mógł on zostać wykorzystany do przeprowadzenia unikatowych badań o ogromnym znaczeniu dla astrofizyki oraz dla fizyki cząstek elementarnych. Wyniki uzyskane w eksperymencie publikowane są w czasopismach o najwyższej randze światowej (Science, Nature, Phys. Rev. Lett., Phys. Lett. B, Phys. Rev. D, Phys. Rev. C,… - dotychczas łącznie ponad 50 publikacji), uzyskując nierzadko po kilkaset cytowań. Prezentowane są również na najważniejszych konferencjach poświęconych neutrinom (Neutrino, TAUP). Znaczenie eksperymentu, jako jednego z wiodących w fizyce neutrin słonecznych, wysoko ocenione zostało przez wielu znanych fizyków (Bahcall, t'Hoof, Higgs, Tannenbaum, Minkowski). BOREXINO uzyskał także status eksperymentu stowarzyszonego z CERN-em (kod RE26).

   Detektor BOREXINO umożliwił rejestrację pełnego widma neutrin słonecznych [Nature 562 (2018) 505], w szczególności neutrin typu pp [Nature 512 (2014) 383], berylowych (7Be) [Phys. Rev. Lett. 107 (2011) 141302], borowych (8B) [Phys. Rev. D 101 (2020) 062001], pep [Phys. Rev. Lett. 108 (2012) 051302] i neutrin z cyklu CNO [Nature 587 (2020) 577]. Zarejestrowany został także bezpośredni sygnał pochodzący od antyneutrin generowanych w rozpadach promieniotwórczych zachodzących w skorupie ziemskiej (tzw. geoneutrin) [Phys. Rev. D 92 (2015) 031101(R) ]. Jedynie z wykorzystaniem detektora BOREXINO możliwa była (jednoczesna) rejestracja zarówno nisko- (pp) jak i wysokoenergetycznych (8B) neutrin słonecznych, co pozwoliło na niezależne badanie obszaru pośredniego pomiędzy oscylacjami neutrin w próżni oraz w materii. Uzyskaliśmy też m.in. najsilniejsze ograniczenie na czas życia elektronu. Zasada zachowania ładunku jest jednym z fundamentalnych praw przyrody. Doświadczalne wykazanie jego niezachowania byłoby wyjściem poza Model Standardowy cząstek i być może prowadziłoby do powstania nowych teorii. Zespół BOREXINO wyznaczył dolną granicę czasu życia elektronu ze względu na rozpad na poziomie 6.6·1028 lat [Phys. Rev. Lett. 115 (2015) 231802]. Jest to aktualnie najsilniejsze ograniczenie.

   W eksperymencie uzyskano także cały szereg wyników dotyczących np. neutrin sterylnych [Phys. Rev. D 88 (2013)], momentu magnetycznego neutrina [Phys. Rev. D 96 (2017) 091103(R)] czy korelacji sygnału neutrinowego z falami grawitacyjnymi [ApJ, 850 (2017) 21].

  Spośród uzyskanych wyników, dwa mają największe znaczenie. Jest to bezpośrednia rejestracja neutrin słonecznych typu pp oraz typu CNO.

• Neutrina typu pp stanowią dominującą część strumienia neutrin słonecznych (> 99 %) i są bezpośrednio związane z produkcją energii w jądrze naszej najbliższej gwiazdy. Ze względu na niskie energie, bezpośrednia detekcja w czasie rzeczywistym neutrin typu pp, nie była dotychczas możliwa w eksperymentach innych niż BOREXINO, głównie z powodu dominującego (w tym zakresie energii) tła pochodzącego od izotopów promieniotwórczych. Dzięki osiągnięciu niezwykle niskiej zawartości radioizotopów we wnętrzu detektora możliwa była po raz pierwszy rejestracja widma energetycznego neutrin typu pp i ich strumienia [Nature 512 (2014) 383], demonstrując, że około 99 % energii Słońca, 3.84×1033 erg/s, powstaje w reakcji fuzji proton-proton. Bezpośredni pomiar strumienia neutrin pp został uznany przez „Physics World – the member magazine of the Institute of Physics” za jedno z dziesięciu przełomowych osiągnięć w 2014 roku. Potwierdził on ostatecznie hipotezę o termojądrowym źródle energii Słońca i był szeroko komentowany zarówno w czasopismach, na portalach naukowych, popularno-naukowych jak i w prasie codziennej.
• Neutrina typu CNO stanowią niewielką część strumienia niskoenergetycznych neutrin słonecznych. 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 i produkcji około 1 % energii słonecznej. Ze względu na swoje ekstremalnie niskie tło, detektor BOREXINO miał unikatową możliwość rejestracji słabego strumienia neutrin słonecznych typu CNO [Nature 587 (2020) 577]. Jest to pierwszy tego typu pomiar dający bezpośrednią informację o występowaniu cyklu CNO w przyrodzie oraz jego wkładzie w produkcję energii słonecznej. Pozwala on także na określenie udziału tego cyklu w generowaniu energii w przypadku większych gwiazd. Znaczenie naukowe możliwości rejestracji neutrin CNO wzrosło w ostatnich latach także ze względu na powstałe kontrowersje dotyczące metaliczności materii słonecznej. Najnowsze pomiary spektrofotometryczne powierzchni Słońca wskazują na niską metaliczność Z/X = 0.0165 (Z – sumaryczna abundancja pierwiastków cięższych niż He, X – abundancja wodoru) – znacznie mniejszą, niż przyjmowano uprzednio: Z/X = 0.0275. Ponieważ reakcje fotonów z atomami C, N, O i Ne są ważnym składnikiem całkowitej nieprzeźroczystości materii słonecznej, nowe abundancje pierwiastków znacząco zmieniają wyniki obliczeń (np. strumienia neutrin CNO) w Standardowym Modelu Słońca. Rezultaty uzyskane w eksperymencie BOREXINO wskazują na wyższą metaliczność Słońca. Większą pewność co do jej wartości uzyskamy po opracowaniu większej ilości danych i redukcji błędu pomiarowego. Stosunek Z/X jest jednym z najważniejszych parametrów astrofizycznych. Implikacje poznania jego dokładnej wartości są nie do przecenienia ze względu na zrozumienie mechanizmu generowania energii w gwiazdach znacznie większych niż Słońce. Istotnie, ponieważ w tych gwiazdach cykl CNO jest dominującym źródłem energii, zespół BOREXINO uzyskał doświadczalne potwierdzenie dotyczące występowania głównego procesu spalania wodoru we Wszechświecie, co ma fundamentalne znaczenie dla rozwoju astrofizyki jądrowej. Nadmienić też należy, że żaden inny detektor w najbliższych dziesiątkach lat nie będzie miał możliwości rejestracji neutrin typu CNO.

 Mimo pośredniej ewidencji wynikającej z obserwacji astronomicznych i astrofizycznych, bezpośrednie doświadczalne potwierdzenie produkcji energii w gwiazdach w cyklach PP i CNO 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 cykli PP i 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 generatora energii Słońca lecz pozostawia w dziedzinie fizyki neutrin trwałe dziedzictwo poprzez obserwację po raz pierwszy neutrin z cyklu 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.

 Prace grupy BOREXINO z IF UJ finansowane były dzięki środkom pozyskanym przez jej członków w ramach szeregu grantów badawczych fundowanych przez Komitet Badań Naukowych oraz Narodowe Centrum Nauki (projekty realizowane w ramach programów Harmonia i Sonata bis).