Eksperymenty radiochemiczne

Neutrina słoneczne po raz pierwszy zaobserwowane zostały w latach 70-tych w doświadczeniu badającym przemianę pod wpływem oddziaływania z neutrinami chloru w promieniotwórczy argon. Dziś, po przeszło 30 latach od odkrycia, eksperyment ów wciąż zbiera dane. Dodatkowo działają dziś również inne eksperymenty oparte na podobnej metodzie wykrywania neutrin pochodzących ze Słońca. Ich zaletą jest możliwość detekcji neutrin o niskich energiach, a tym samym dokładniejsze zbadanie procesów zachodzących w naszej gwieździe.


Najstarszą techniką detekcji neutrin słonecznych jest technika radiochemiczna. Polega ona na przygotowaniu ekstremalnie czystej chemicznie próbki pewnej substancji, izolowaniu jej od otoczenia, a następnie obserwowaniu jej zmian pod wpływem przenikających do jej wnętrza neutrin słonecznych. Zmiany te polegają na produkcji wewnątrz próbki jąder substancji radioaktywnej. Ilość wyprodukowanych jąder jest następnie wyznaczana dzięki pomiarowi stopnia promieniotwórczości. Ilość ta ma przełożenie na strumień neutrin, który dociera do detektora.

Przemiana galu w german

Eksperyment GNO zlokalizowany jest w laboratorium Gran Sasso we Włoszech. Jest on spadkobiercą innego eksperymentu radiochemicznego, który działał w latach 90-tych i nazywał się GALLEX. Detektor GNO składa się ze zbiornika wypełnionego 101 tonami chlorku galu. Substancją mierzącą oddziaływania z neutrinami słonecznymi jest właśnie ów gal. W wyniku oddziaływania z neutrinem jądro galu emituje elektron i przekształca się w jądro niestabilnego germanu. Czas rozpadu germanu jest długi. Wynosi około 16 dni. Eksperyment polega na wystawieniu zbiornika na oddziaływanie neutrin słonecznych na okres czasu wynoszący 4 tygodnie (właściwie "wystawianie" owo polega na zostawieniu oczyszczonej z jąder germanu substancji w spokoju, neutrina bez problemu przecież przenikają przez dowolną warstwę izolującą i docierają do zbiornika). Po 4 tygodniach w zbiorniku wytwarza się względna równowaga ilości jąder germanu - tyle samo tworzonych jest nowych jąder w oddziaływaniach z neutrinami, ile się ich rozpada (jądra germanu w wyniku rozpadu zamieniają się powtórnie w jądra galu). Następnie przeprowadza się metodami chemicznymi ekstrakcję chlorku germanu ze zbiornika chlorku galu. Ekstrakcja sama w sobie jest procesem niesłychanie zaawansowanym technicznie i musi być dokonana z wielką precyzją. Wystarczy tylko wspomnieć, że w zbiorniku zawierającym 1029 jąder galu wytworzy się zaledwie około 10 jąder germanu! Następnie wyekstrahowana próbka wprowadzana jest do licznika promieniowania, gdzie pozostaje do czasu rozpadu jąder germanu. W tym czasie zbiornik z galem ponownie wystawiany jest na oddziaływanie neutrin słonecznych.

Proces wydzielania germanu w eksperymencie GNO

Eksperyment GNO składa się więc z sekwencji - wystawiania na oddziaływanie, ekstrakcji, czyli wydzielenia powstałych jąder germanu oraz pomiaru ich liczby. Cała ta sekwencja powtarzana jest wielokrotnie, w celu zminimalizowania błędu eksperymentalnego.

Wyniki eksperymentu GNO

Drugim ważnym eksperymentem radiochemicznym jest wciąż trwający, nieprzerwanie od 1970 roku, eksperyment w kopalni Homestake. Ojcem tego eksperymentu jest noblista z 2002 roku, Raymond Davis. To właśnie w tym eksperymencie po raz pierwszy zaobserwowano deficyt neutrin słonecznych, co było wskazówką na ich oscylacje.

Kopalnia Homestake

Detektor eksperymentu Homestake to zbiornik zawierający 615 litrów związku chloru. Przechodzące przez zbiornik neutrina mogą spowodować przemianę chloru w promieniotwórczy izotop argonu. Następnie, podobnie jak w detektorze GNO, powstałe jądra są wydzielane metodami chemicznymi z całego zbiornika, a ich ilość mierzona poprzez pomiar stopnia promieniotwórczości wyekstrahowanej próbki.

Detektor Homestake

Przewagą eksperymentów radiochemicznych nad eksperymentami typu Super-Kamiokande jest fakt, iż eksperymenty te mogą mierzyć strumienie neutrin mających znacznie niższe energie. Próg energetyczny na reakcje zachodzące w zbiornikach stanowiących serce eksperymentów radiochemicznych jest bowiem znacząco mniejszy niż na reakcję neutrin z wodą, w której to reakcji powstaje elektron zdolny do emisji światła Wawiłowa-Czerenkowa. Dlatego eksperymenty radiochemiczne wciąż mogą i dają istotny wkład w zrozumienie neutrin słonecznych i reakcji termonuklearnych przebiegających we wnętrzu naszej gwiazdy.