Nauka dla Społeczeństwa

27.02.2024
PL EN
18.12.2023 aktualizacja 19.12.2023

Słońce coraz bardziej "jasne jak słońce" - dzięki ćwierćwieczu eksperymentu Borexino

Wnętrze detektora Borexino - tysiące czujników wypatrujących w podziemnym eksperymencie sygnałów ze Słońca. Fot. Volker Steger /LNGS-INFN Wnętrze detektora Borexino - tysiące czujników wypatrujących w podziemnym eksperymencie sygnałów ze Słońca. Fot. Volker Steger /LNGS-INFN

Zrodzone w środku Słońca cząstki - trudne do okiełznania neutrina - “łapali” naukowcy w podziemnym laboratorium we Włoszech. Kończą się prace nad trwającym ponad dwie dekady eksperymentem Borexino.

W ramach tego międzynarodowego przedsięwzięcia udowodniono, że energia powstaje w Słońcu na różne sposoby. Zaobserwowano również przemiany, jakie zachodzą w neutrinach w drodze na Ziemię. Badano także neutrina z wnętrza Ziemi.

Prace nad projektem Borexino rozpoczęły się w 1996 r. Sam detektor zbierał dane w latach 2007-2021. Teraz uczestnicy eksperymentu kończą analizować dane i podsumowują działalność.

: Detektor Borexino w 2015 r., kiedy zbierał jeszcze informacje o neutrinach ze Słońca przelatujących przez Ziemię.  Fot: Borexino Collaboration
Detektor Borexino w 2015 r., kiedy zbierał jeszcze informacje o neutrinach ze Słońca przelatujących przez Ziemię.  Fot: Borexino Collaboration

Co rozjaśnił nam ten niezwykły eksperyment - tłumaczy dla Nauki w Polsce prof. Marcin Wójcik, kierownik polskiej grupy fizyków z Uniwersytetu Jagiellońskiego, uczestniczącej w tym przedsięwzięciu.

SŁONECZNY KOCIOŁ

“Nie możemy zajrzeć do jądra Słońca stosując konwencjonalne metody astronomiczne – widzimy wtedy zaledwie powierzchnię gwiazdy we wszystkich zakresach promieniowania elektromagnetycznego. Tylko neutrina umożliwiają nam bezpośrednią obserwację kotła słonecznego, w którym generowana jest energia. A przecież to dzięki tej energii m.in. istnieje życie na Ziemi” – wyjaśnia prof. Wójcik.

Dlatego naukowcy przez 14 lat podglądali neutrina nadlatujące do nas ze Słońca i analizowali ich własności, aby lepiej zrozumieć, co się dzieje we wnętrzu naszej gwiazdy.

FUZJA DWÓCH FUZJI

Energię Słońca zawdzięczamy zachodzącej tam fuzji jądrowej. W wyniku tej fuzji jądra najlżejszego pierwiastka - wodoru - łączą się, tworząc jądro cięższego pierwiastka - helu, przy okazji uwalniając cząstki niosące dużo energii. Taka fuzja jądrowa na Słońcu może zachodzić na dwa sposoby. Najważniejszy jest tzw. cykl PP (proton-proton), w którym produkowane jest 99 procent energii słonecznej. Szereg reakcji jądrowych, zapoczątkowanych fuzją dwóch protonów do deuteru, prowadzi tam do powstania stabilnego jądra helu.

Rys. via Wikipedia
Rys. via Wikipedia

Drugim sposobem na fuzję jądrową (1 proc. energii Słońca) jest tzw. cykl CNO, gdzie powstanie helu jest możliwe przy obecności innych pierwiastków: węgla, azotu i tlenu, które odgrywają tam rolę katalizatora.

Borexino pozwoliło dokładnie poznać nie tylko działanie cyklu PP, ale po raz pierwszy zaobserwowało istnienie cyklu CNO. Cykl ten odgrywa ważną rolę w produkcji energii, zwłaszcza w większych gwiazdach.

fot. Via  Wikipedia
fot. Via  Wikipedia 

NEUTRINA JUŻ PACHNĄ NAM INACZEJ

Kolejnym ważnym osiągnięciem Borexino było zbadanie w obszarze niskich energii (od kilkuset keV do kilkunastu MeV) tak zwanego zjawiska oscylacji neutrin, tj. przekształcania neutrin z jednego rodzaju (zapachu) w inny.

“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. Marcin Wójcik.

CIEPŁO Z ZIEMI

W ramach eksperymentu rejestrowano też tzw. geoneutrina - antyneutrina z wnętrza Ziemi. Pochodzą one z rozpadów promieniotwórczych izotopów (w łańcuchach 238U, 232Th oraz z rozpadu beta 40K).

W oparciu o zmierzony w eksperymencie Borexino strumień geoneutrin można wyznaczyć ilość ciepła wytwarzaną w rozpadach promieniotwórczych uranu i toru we wnętrzu Ziemi. Analizy pokazały, że jest to moc na poziomie 38 TW (1 TW to tysiąc miliardów watów). Wartość ta dobrze zgadza się z oszacowaną innymi metodami ilością ciepła wydobywającego się z powierzchni Ziemi. “Pomiar geoneutrin potwierdza, że głównym generatorem ciepła wydobywającego się z Ziemi są rozpady promieniotwórcze” – konkluduje prof. Wójcik.

PO CO KOMU NEUTRINA

Fizyk z UJ tłumaczy, że 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. Bardzo rzadko jednak jakieś neutrino oddziałuje z materią.

Szansą na poznanie neutrin jest wyłapanie tych unikalnych zderzeń. A to można zrobić za sprawą bardzo czułych detektorów, dokładnie osłoniętych od promieniowania kosmicznego oraz od naturalnej promieniotwórczości.

SŁOŃCE POD ZIEMIĄ

Dlatego detektor w eksperymencie Borexino umieszczony został we włoskim Laboratorium Podziemnym w Gran Sasso - w jednej z odnóg 10-kilometrowego tunelu autostrady biegnącej przez środek masywu górskiego Gran Sasso. Gruba warstwa skał, która detektor chroni, osłabia promieniowanie kosmiczne ponad milion razy.

Poza tym detektor BOREXINO miał cebulowaty kształt; jego kolejne warstwy - kierując się ku środkowi - coraz lepiej zabezpieczały wnętrze urządzenia przed promieniowaniem naturalnym (pochodzącym choćby ze skał).

Fot: Model detektora Borexino. Kolejne warstwy detektora coraz lepiej chronią wnętrze przed promieniowaniem. Borexino Collaboration
Fot: Model detektora Borexino. Kolejne warstwy detektora coraz lepiej chronią wnętrze przed promieniowaniem. Borexino Collaboration

W centrum detektora umieszczono prawie 300 ton tzw. ciekłego scyntylatora. Chodzi o substancje, w których pojawia się błysk światła, jeśli uderzy w nie cząstka o dużej energii - np. szybkie neutrino ze Słońca. Błyski te były wychwytywane przez superczułe sensory światła.

Źródło: Borexino Collaboration
Źródło: Borexino Collaboration

W detektorze zainstalowanych było ponad 2000 fotopowielaczy - które niczym najbystrzejsze oczy świata wpatrzone były we wnętrze detektora i poszukiwały tam najsubtelniejszych nawet rozbłysków światła.

Eksperyment więc - z punktu widzenia laika - był dość dziwny: w środku góry, w egipskich ciemnościach przez 14 lat wypatrywano błysków światła ze Słońca.

Ale ten szalony pomysł się powiódł. Prof. Wójcik podaje, że liczba neutrin słonecznych przenikających przez detektor Borexino w ciągu jednego dnia była rzędu tysiąca miliardów miliardów (10^21). Natomiast liczba rejestrowanych oddziaływań neutrin z detektorem w ciągu jednego dnia była rzędu 200, co już pozwalało dobrze je zbadać.

Fot: Wnętrze rozmontowanego już detektora Borexino. źródło: Borexino Collaboration
Fot: Wnętrze rozmontowanego już detektora Borexino. źródło: Borexino Collaboration

"Detektor Borexino osiągnął niedościgniony poziom czystości pod względem zanieczyszczeń promieniotwórczych, co nadało 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.

Podsumowując, spuścizną eksperymentu Borexino są nie tylko odkrycia w dziedzinie astrofizyki i fizyki neutrin, ale i pionierskie technologie. “Nowatorskie technologie związane były z bezprecedensowym oczyszczaniem cieczy z radioizotopów, zwłaszcza ciekłego scyntylatora oraz pozyskiwaniem i oczyszczaniem odpowiednich materiałów do budowy detektora przy użyciu oryginalnych metod. Grupa krakowska wniosła w tej dziedzinie dominujący wkład” - podsumowuje badacz z UJ.

Eksperyment prowadzony był w ramach współpracy fizyków z Włoch, Niemiec, Francji, Polski, Stanów Zjednoczonych i Rosji.

Detektor Borexino jest już rozmontowany. Było to konieczne ze względu na protesty społeczne w okolicznych miejscowościach, ponieważ scyntylatorem wypełniającym urządzenie był toksyczny węglowodór aromatyczny. Dlatego pojawiły się obawy mieszkańców, że związek ten przedostanie się do wody pitnej.

W podziemnym włoskim laboratorium trwa jednak wiele innych eksperymentów. I tak np. w ramach projektu DarkSide poszukuje się cząstek ciemnej materii. A program GERDA/Legend nakierowany jest na odkrycie występowania niezwykle rzadkiego podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta. W badaniach tych również uczestniczy grupa krakowska.

Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ bar/

Przed dodaniem komentarza prosimy o zapoznanie z Regulaminem forum serwisu Nauka w Polsce.

Copyright © Fundacja PAP 2024