25.01.2021
PL EN
27.11.2020 aktualizacja 27.11.2020
Ludwika Tomala
Ludwika Tomala

Eksperyment BOREXINO rzuca nowe światło na to, jak Słońce produkuje energię

Artystyczna wizja sfery detektora BOREXINO w połączeniu z tarczą słoneczną.  Fot: Maxim Gromov, Borexino Collaboration Artystyczna wizja sfery detektora BOREXINO w połączeniu z tarczą słoneczną. Fot: Maxim Gromov, Borexino Collaboration

Słońce produkuje energię zamieniając wodór w hel głównie w tzw. cyklu PP (proton-proton), ale i w cyklu CNO (węglowo-azotowo-tlenowym) - bardzo istotnym zwłaszcza w większych gwiazdach. W eksperymencie BOREXINO - z udziałem Polaków - po raz pierwszy zarejestrowano słoneczne neutrina z cyklu CNO.

To pierwsze eksperymentalne potwierdzenie istnienia tego źródła energii. Wyniki międzynarodowych badań, w których brali udział fizycy z Uniwersytetu Jagiellońskiego, opublikowano w "Nature". "Ten niezwykle trudny do przeprowadzenia i mający ogromne znaczenie astrofizyczne pomiar, zamyka fascynujący rozdział badań, którego początki sięgają lat trzydziestych ubiegłego wieku" - komentują w przesłanym PAP komunikacie przedstawiciele zespołu.

Badania te pozwalają lepiej zrozumieć mechanizm generowania energii w gwiazdach znacznie większych niż Słońce, bo w takich gwiazdach cykl CNO jest dominującym źródłem energii. Zespół BOREXINO uzyskał więc doświadczalne potwierdzenie dotyczące występowania głównego procesu spalania wodoru we Wszechświecie - czytamy w komunikacie.

Życie na Ziemi możliwe jest m.in. dzięki obecności światła i ciepła ze Słońca. A 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: w tzw. cyklu PP (proton-proton), w którym produkowane jest 99 procent energii słonecznej. A drugą możliwością jest tzw. cykl CNO, gdzie powstanie helu jest możliwe przy obecności innych pierwiastków: węgla, azotu i tlenu, które odgrywają tam rolę katalizatora.

W ramach działającego od 2007 r. eksperymentu BOREXINO realizowanego w Laboratorium Podziemnym w Gran Sasso włoskiego Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, 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 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 prof. Wójcik.

PODZIEMNE LABORATORIUM BADA SŁOŃCE

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 (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 tzw. ciekłego scyntylatora, 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 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 publikacji.

„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 BADAŃ

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" - komentują przedstawiciele zespołu w przesłanym PAP komunikacie.

Badania prowadzone w ramach eksperymentu BOREXINO przez grupę z IF UJ finansowane są przez Narodowe Centrum Nauki w ramach programów Harmonia i Sonata-bis.

PAP - Nauka w Polsce

lt/ ekr/

Copyright © Fundacja PAP 2021