Zagadka Słońca

Słońce jest potężnym źródłem neutrin. Neutrina te, będące rodzaju elektronowego, przebywają próżnię dzielącą Słońce i Ziemię i mogą być obserwowane w specjalnych detektorach budowanych przez fizyków. Pierwszy pomiar neutrin pochodzenia słonecznego został dokonany w latach 60-tych i dał zaskakujący wynik. Okazało się, że w detektorze zaobserwowano trzy razy za mało neutrin w stosunku do spodziewanej ilości. Od tamtego czasu wiele innych eksperymentów potwierdziło ów deficyt elektronowych neutrin słonecznych, a zaobserwowany efekt został nazwany "neutrinowym kryzysem słonecznym".


Jak dowiedzieliśmy się na jednej z poprzednich stron, w latach 50-tych próbowano wykryć neutrina pochodzące z reaktorów jądrowych. Niestety w procesie rozszczepienia w reaktorach uwalniane są anty-neutrina, nie zaś neutrina. Tak więc eksperymenty, których celem było wykrycie neutrin, z góry były skazane na porażkę, chyba że neutrina i anty-neutrina byłyby tymi samymi cząstkami (pisaliśmy o tym na poprzedniej stronie).

Detektor poszukujący neutrin pochodzących z akceleratora

Szefem jednej z grup fizyków pracujących przy eksperymentach reaktorowych był Raymond Davis. Jego pomysł na detekcję neutrin polegał na umieszczeniu przy reaktorze dużego zbiornika zawierającego chlor. Przechodzące przez chlor neutrino mogłoby oddziaływać z ośrodkiem zamieniając jedno z jąder chloru w jądro argonu. Wyprodukowane jądro argonu byłoby jądrem promieniotwórczy. Davis co kilka dni przeprowadzał filtrowanie zbiornika, w czasie którego - gdyby rzeczywiście powstały w nim jądra argonu - zostałyby one usunięte z detektora i umieszczone w specjalnym zewnętrznym liczniku promieniowania. Celem detektora był pomiar ilości owych radioaktywnych jąder argonu. Pomiar zakończył się wynikiem negatywnym. Davis nie wykrył żadnych jąder argonu i potwierdził tym samym, że reaktor jądrowy nie jest źródłem neutrin. W tym samym czasie dwaj inni fizycy: Fred Reines i Clyde Cowan odkrywali anty-neutrina pochodzące z reaktora...

Eksperyment w kopalni Homestake

W latach 60-tych Davis niezrażony nie wykryciem neutrin pochodzenia reaktorowego postanowił przeprowadzić nowy eksperyment, który opierał się na tej samej zasadzie detekcji. Tym razem celem eksperymentu było wykrycie neutrin produkowanych w czasie syntezy jądrowej zachodzącej wewnątrz Słońca. Zasada eksperymentu była podobna, jednak jego czułość zwiększona została wielokrotnie. W olbrzymim metalowym zbiorniku Davis umieścił 380000 litrów związku chloru (C2Cl4) - poprzednio, w eksperymencie przy reaktorze Davis dysponował zaledwie 3800 litrami. Sam zbiornik zaś zlokalizowany został 1500 metrów pod powierzchnią w jaskini wykutej w kopalni Homestake na terenie Południowej Dakoty. Zbiornik połączony został z zawansowanym systemem filtrującym (filtrowanie odbywało się za pomocą przepłukiwania zbiornika helem, które skutecznie oddzielało argon od chloru). Filtrowanie obywało się co 1-3 tygodnie i miało na celu wydzielenie wyprodukowanych jąder argonu. Aby zmierzyć efektywność filtracji, Davis dodawał do zbiornika pewną ilość niepromieniotwórczej odmiany argonu. Po zakończeniu filtracji porównywał ilość wydzielonego argonu z argonem wprowadzonym na początku (ilość wyprodukowanego argonu w oddziaływaniach z neutrinami była pomijalnie mała w tych rozważaniach). Następnie odfiltrowana próbka trafiała do czułego licznika promieniowania. Wewnątrz licznika następowały rozpady promieniotwórczej odmiany argonu, której jądra zostały wytworzone przez oddziaływania neutrin. Próbka pozostawała przez wiele dni w detektorze, tak długo, aż praktycznie wszystkie znajdujące się w niej jądra promieniotwórcze uległy rozpadowi.

Eksperyment w kopalni Homestake

W latach 50 i 60-tych fizycy stworzyli Standardowy Model Słońca. Model ten opisuje procesy termojądrowe zachodzące wewnątrz naszej gwiazdy oraz ich intensywności. Model jest zależny od kilku parametrów, w zależności od których daje nieco inne przewidywania. Najbardziej czułym parametrem modelu jest temperatura panująca w jądrze Słońca. Natężenie różnych reakcji termojądrowych będzie zależeć przede wszystkim właśnie od owej temperatury.

Model Słońca

Skąd biorą się neutrina, które mogłyby zostać zarejestrowane przez eksperyment Homestake? Okazuje się, że aby przemiana chloru w argonu zaszła, w oddziaływaniu musi brać udział neutrino, którego energia jest dość wysoka. Większość neutrin produkowanych w naszej gwieździe, opisywanej przez Standardowy Model Słoneczny, jest zbyt niskoenergetyczna, aby oddziaływanie zaszło. Jednak istnieje jeden specyficzny proces, który może wyprodukować neutrina o energii wyższej niż minimalna energia wymagana do przemiany chloru w argon. Procesem tym jest rozpad boru (tzw. boru-8) na beryl. W wyniku rozpadu produkowany jest anty-elektron oraz neutrino elektronowe. Eksperyment Homestake mierząc przemiany chloru w argon, mierzyłby intensywność strumienia neutrin pochodzących z tego procesu, a więc i natężenie samej przemiany. Okazuje się, że wyznaczenie natężenia tej przemiany byłoby wystarczające do wyznaczenia temperatury wnętrza Słońca, a tym samym do ustalenia najważniejszego parametru Standardowego Modelu Słońca.

Strumień neutrin słonecznych - przewidywania

Eksperyment Homestake rozpoczął się w 1967 roku. Wyniki, których dostarczył, stały się jednym z najważniejszych odkryć w fizyce cząstek elementarnych drugiej połowy XX wieku, a Davisowi zapewniły Nagrodę Nobla.

Okazało się, że eksperyment Homestake rejestruje zaledwie około 30 procent neutrin, które przewiduje Standardowy Model Słońca. Biorąc pod uwagę nawet duże niepewności wynikające z nieznajomości dokładnych wartości parametrów modelu, zmierzona ilość neutrin jest znacznie poniżej oczekiwań. Wyniki eksperymentu Homestake były tak zaskakujące, że Davis wraz z towarzyszącym mu zespołem kontynuował pomiar neutrin w kopalni przez następne dziesięciolecia. Aktywność fizyków przy owym eksperymencie wciąż trwa.

Rezultat eksperymentu Homestake

Pod koniec lat 80-tych pojawiły się dwa inne eksperymenty potwierdzające pomiary przeprowadzone w Homestake. Eksperymentami tymi były: Kamiokande, znajdujący się w japońskiej kopalni, oraz SAGE, owoc współpracy sowiecko-amerykańskiej. Pierwszy z tych eksperymentów mógł rejestrować jedynie neutrina o znacznie wyższych energiach niż Homestake. Drugi próg energetyczny na rejestrację neutrin położony miał znacznie niżej. Oba doświadczenia wykazały znaczny niedobór neutrin pochodzenia słonecznego.

Neutrina słoneczne mierzone przez różne eksperymenty

Problem niedoboru neutrin pochodzących ze Słońca zyskał miano "neutrinowego kryzysu słonecznego". Próby rozwiązania kryzysu zaczęły się oczywiście od rewizji Standardowego Modelu Słońca. Okazało się jednak, że aby wytłumaczyć tak mały strumień neutrin, należałoby założyć wyjątkowo niską temperaturę jądra naszej gwiazdy. Próbowano między innymi wprowadzić nowy gatunek cząstek, z których składałaby się również ciemna materia (tzw. WIMPy), które to cząstki wynosiłyby z wnętrza Słońca dużo energii, studząc je w ten sposób. Wszystkie te zabiegi służące zmniejszeniu temperatury jądra Słońca były nieskuteczne i wkrótce okazało się, że Standardowy Model Słońca powinien zostać jaki jest. Zmienić powinien się natomiast model samego neutrina.