Solfysikere låser op for en nemmere måde at observere ejendommelige partikler, der afslører solens indre funktioner

I 2009 anvendt fysiker Peter Sturrock besøgte National Solar Observatory i Tucson, Arizona, da vicedirektøren for observatoriet fortalte ham, at han skulle læse en kontroversiel artikel om radioaktivt henfald. Selvom emnet var uden for Sturrocks felt, det inspirerede en tanke, så spændende, at han næste dag ringede til forfatteren af ​​undersøgelsen, Purdue University fysiker Ephraim Fischbach, at foreslå et samarbejde.

Fischbach svarede:"Vi var ved at ringe til dig."

Mere end syv år senere, at samarbejde kunne resultere i en billig bordplade enhed til at opdage undvigende neutrinoer mere effektivt og billigt, end det er muligt i øjeblikket, og kunne forenkle videnskabsmænds evne til at studere solens indre virke. Værket blev offentliggjort i 7. november-udgaven af Solfysik .

"Hvis vi har ret, det betyder, at neutrinoer er langt lettere at opdage, end folk har troet, " sagde Sturrock, professor emeritus i anvendt fysik. "Alle troede, at det ville være nødvendigt med store eksperimenter, med tusindvis af tons vand eller andet materiale, der kan involvere enorme konsortier og enorme udgifter, og du får måske et par tusinde tæller om året. Men vi kan få lignende eller endnu bedre data fra et eksperiment, der kun involverer mikrogram radioaktivt materiale."

Hvorfor, hvordan vi studerer neutrinoer

I tyve år, Sturrock og hans kollega Jeff Scargle, astrofysiker og dataforsker ved NASA Ames Research Center, har studeret neutrinoer, subatomære partikler uden elektrisk ladning og næsten nul masse, som kan bruges til at lære om solens indre.

Nukleare reaktioner i solens kerne producerer neutrinoer. En unik egenskab ved neutrinoer er, at de sjældent interagerer med andre partikler og derfor let kan undslippe solen, bringer os information om det dybe solinteriør. At studere neutrinoer menes at være den bedste måde at få direkte information om solens centrum på, hvilket ellers i høj grad er et mysterium. Neutrinoer kan også give os information om supernovaer, universets skabelse og meget mere.

På jorden, et område på størrelse med en fingernegl har 65 milliarder neutrinoer passerer gennem sig hvert sekund. Men kun en eller to i et helt liv vil faktisk stoppe i vores kroppe. At studere neutrinoer involverer massivt udstyr og udgifter til at fange nok af de undvigende partikler til undersøgelse.

På nuværende tidspunkt guldstandarden for neutrino-detektion er Japans Super-Kamiokande, et storslået $100 millioner observatorium. I brug siden 1996, Super-Kamiokande ligger 1, 000 meter under jorden. Den består af en tank fyldt med 50, 000 tons ultrarent vand, omgivet af omkring 13, 000 foto-multiplikatorrør. Hvis en neutrino kommer ind i vandet og interagerer med elektroner eller kerner der, det resulterer i en ladet partikel, der bevæger sig hurtigere end lysets hastighed i vand. Dette fører til en optisk chokbølge, en lyskegle kaldet Cherenkov-stråling. Dette lys projiceres på tankens væg og optages af fotomultiplikatorrørene.

Tidligere udfordringer i detektion

Nobelprisen i fysik i 2002 blev tildelt Masatoshi Koshiba fra Super-Kamiokande og Raymond Davis Jr. fra Homestake Neutrino Observatory for udvikling af neutrino-detektorer og "for påvisning af kosmiske neutrinoer." En forvirrende detalje i dette arbejde var, at med deres banebrydende detektionsmetoder, de opdagede en tredjedel til halvt så mange neutrinoer som forventet, et problem kendt som "solneutrinoproblemet." Denne mangel blev først antaget at skyldes eksperimentelle problemer. Men, når det blev bekræftet af Super-Kamiokande, underskuddet blev accepteret som reelt.

Året før Nobelprisen, imidlertid, videnskabsmænd annoncerede en løsning på solneutrinoproblemet. Det viste sig, at neutrinoer oscillerer mellem tre former (elektron, muon og tau) og detektorer var primært følsomme over for kun elektronneutrinoer. Til opdagelsen af ​​disse svingninger, Nobelprisen i fysik i 2015 blev tildelt Takaaki Kajita fra Super-Kamiokande og Arthur B. MacDonald fra Sudbury Neutrino Observatory.

Selv med disse Nobelprisværdige udviklinger inden for forskning og udstyr til deres rådighed, videnskabsmænd kan stadig kun opdage nogle få tusinde neutrino-begivenheder hvert år.

En ny mulighed for forskning

Den forskning, som Sturrock lærte om i Tucson, vedrørte fluktuationer i nedbrydningshastigheden af ​​radioaktive grundstoffer. Udsvingene var meget kontroversielle på det tidspunkt, fordi man havde troet, at nedbrydningshastigheden af ​​ethvert radioaktivt grundstof var konstant. Sturrock besluttede at studere disse eksperimentelle resultater ved hjælp af analytiske teknikker, som han og Scargle havde udviklet for at studere neutrinoer.

Ved at undersøge de radioaktive henfaldssvingninger, holdet fandt bevis for, at disse udsving matchede mønstre, de havde fundet i Super-Kamiokande neutrinodata, hver angiver en en-måneders svingning, der kan henføres til solrotation. Den sandsynlige konklusion er, at neutrinoer fra solen direkte påvirker beta-henfald. Denne forbindelse er blevet teoretiseret af andre forskere, der går tilbage 25 år, men Sturrock-Fischbach-Scargle-analysen tilføjer det stærkeste bevis endnu. Hvis dette forhold holder, en revolution inden for neutrinoforskning kunne være undervejs.

"Det betyder, at der er en anden måde at studere neutrinoer på, som er meget enklere og meget billigere end nuværende metoder, " sagde Sturrock. "Nogle data, nogle oplysninger, du kommer ikke fra beta-henfald, men kun fra eksperimenter som Super-Kamiokande. Imidlertid, undersøgelsen af ​​beta-henfaldsvariabilitet indikerer, at der er en anden måde at opdage neutrinoer på, en, der giver dig et andet syn på neutrinoer og af solen."

Sturrock sagde, at dette kunne markere begyndelsen på et nyt felt inden for neutrinoforskning og solfysik. Han og Fischbach ser muligheden for bænkdetektorer, der ville koste tusinder i stedet for millioner af dollars.

De næste skridt for nu vil være at indsamle flere og bedre data og at arbejde hen imod en teori, der kan forklare, hvordan alle disse fysiske processer hænger sammen.