Massivt underjordisk instrument finder den sidste hemmelighed bag vores sols fusion

Et overfølsomt instrument, dybt under jorden i Italien, har endelig lykkedes med den næsten umulige opgave at detektere CNO neutrinoer (små partikler, der peger på tilstedeværelsen af ​​kulstof, nitrogen og ilt) fra vores sols kerne. Disse lidet kendte partikler afslører den sidste manglende detalje af fusionscyklussen, der driver vores sol og andre stjerner.

I resultater offentliggjort 26. november i tidsskriftet Natur (og vist på forsiden), efterforskere af Borexino-samarbejdet rapporterer de første påvisninger af denne sjældne type neutrinoer, kaldet "spøgelsespartikler", fordi de passerer gennem det meste af stof uden at efterlade spor.

Neutrinoerne blev detekteret af Borexino-detektoren, et enormt underjordisk eksperiment i det centrale Italien. Det multinationale projekt er støttet i USA af National Science Foundation under en delt bevilling overvåget af Frank Calaprice, professor i fysik emeritus ved Princeton; Andrea Pocar, en 2003 kandidat alumne fra Princeton og professor i fysik ved University of Massachusetts-Amherst; og Bruce Vogelaar, professor i fysik ved Virginia Polytechnical Institute og State University (Virginia Tech).

"Spøgelsespartikel"-detektionen bekræfter forudsigelser fra 1930'erne om, at noget af vores sols energi genereres af en kæde af reaktioner, der involverer kulstof, nitrogen og oxygen (CNO). Denne reaktion producerer mindre end 1 % af solens energi, men det menes at være den primære energikilde i større stjerner. Denne proces frigiver to neutrinoer - de letteste kendte elementære partikler af stof - såvel som andre subatomære partikler og energi. Den mere omfattende proces for brint-til-helium-fusion frigiver også neutrinoer, men deres spektrale signaturer er forskellige, giver videnskabsfolk mulighed for at skelne mellem dem.

"Bekræftelse af CNO-brænding i vores sol, hvor den kun opererer på et niveau på 1 %, styrker vores tillid til, at vi forstår, hvordan stjerner fungerer, " sagde Calaprice, en af ​​ophavsmændene til og hovedefterforskerne for Borexino.

CNO neutrinoer:Vinduer ind i solen

I det meste af deres liv, stjerner får energi ved at fusionere brint til helium. I stjerner som vores sol, dette sker overvejende gennem proton-protonkæder. Imidlertid, i tungere og varmere stjerner, kulstof og nitrogen katalyserer brintforbrænding og frigiver CNO-neutrinoer. At finde nogen neutrinoer hjælper os med at kigge ind i arbejdet dybt inde i solens indre; da Borexino-detektoren opdagede proton-proton neutrinoer, nyhederne lyste op i den videnskabelige verden.

Men CNO-neutrinoer bekræfter ikke kun, at CNO-processen er på arbejde i solen, de kan også hjælpe med at løse et vigtigt åbent spørgsmål inden for stjernefysik:hvor meget af solens indre består af "metaller, "som astrofysikere definerer som ethvert grundstof, der er tungere end brint eller helium, og om kernens "metallicitet" svarer til solens overflade eller ydre lag.

Desværre, neutrinoer er ekstremt svære at måle. Mere end 400 milliarder af dem rammer hver kvadratcentimeter af jordens overflade hvert sekund, alligevel passerer stort set alle disse "spøgelsespartikler" gennem hele planeten uden at interagere med noget, tvinger videnskabsmænd til at bruge meget store og meget omhyggeligt beskyttede instrumenter til at opdage dem.

Borexino-detektoren ligger en halv kilometer under Appenninerne i det centrale Italien, ved Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) ved Italiens Nationale Institut for Nuklear Fysik, hvor en kæmpe nylonballon - omkring 30 fod i diameter - fyldt med 300 tons ultrarene flydende kulbrinter holdes i et flerlags sfærisk kammer, der er nedsænket i vand. En lille brøkdel af de neutrinoer, der passerer gennem planeten, vil prelle af elektroner i disse kulbrinter, producerer lysglimt, der kan detekteres af fotonsensorer, der forer vandtanken. Den store dybde, størrelse og renhed gør Borexino til en helt unik detektor for denne type videnskab.

Borexino-projektet blev igangsat i begyndelsen af ​​1990'erne af en gruppe fysikere ledet af Calaprice, Gianpaolo Bellini ved universitetet i Milano, og afdøde Raju Raghavan (dengang hos Bell Labs). I løbet af de sidste 30 år, forskere over hele verden har bidraget til at finde proton-protonkæden af ​​neutrinoer og, for omkring fem år siden, holdet startede jagten på CNO neutrinoerne.

Undertrykkelse af baggrunden

"De sidste 30 år har handlet om at undertrykke den radioaktive baggrund, " sagde Calaprice.

De fleste af de neutrinoer, som Borexino detekterer, er proton-proton neutrinoer, men nogle få er genkendelige CNO neutrinoer. Desværre, CNO neutrinoer ligner partikler produceret af det radioaktive henfald af polonium-210, en isotop, der lækker fra den gigantiske nylonballon. At adskille solens neutrinoer fra poloniumforureningen krævede en omhyggelig indsats, ledet af Princeton-forskere, som begyndte i 2014. Da strålingen ikke kunne forhindres i at lække ud af ballonen, forskerne fandt en anden løsning:ignorer signaler fra den forurenede ydre kant af kuglen og beskyt ballonens dybe indre. Det krævede, at de dramatisk bremsede væskebevægelsens hastighed i ballonen. Det meste væskeflow er drevet af varmeforskelle, så det amerikanske hold arbejdede på at opnå en meget stabil temperaturprofil for tanken og kulbrinter, for at gøre væsken så stille som muligt. Temperaturen blev præcist kortlagt af en række temperatursonder installeret af Virginia Tech-gruppen, ledet af Vogelaar.

"Hvis dette forslag kunne reduceres nok, vi kunne så observere de forventede fem eller deromkring lavenergirekyler om dagen, som skyldes CNO neutrinoer, " sagde Calaprice. "Til reference, en kubikfod 'frisk luft' - som er tusind gange mindre tæt end kulbrintevæsken - oplever omkring 100, 000 radioaktive henfald om dagen, mest fra radongas."

For at sikre stilhed i væsken, Princeton og Virginia Tech videnskabsmænd og ingeniører udviklede hardware til at isolere detektoren - i det væsentlige et kæmpe tæppe til at vikle rundt om den - i 2014 og 2015, så tilføjede de tre varmekredse, der holder en perfekt stabil temperatur. Det lykkedes dem at kontrollere temperaturen på detektoren, men sæsonbestemte temperaturændringer i Hall C, hvor Borexino ligger, fik stadig små væskestrømme til at fortsætte, slører CNO-signalet.

Så to Princeton-ingeniører, Antonio Di Ludovico og Lidio Pietrofaccia, arbejdet sammen med LNGS stabsingeniør Graziano Panella for at skabe et specielt luftbehandlingssystem, der holder en stabil lufttemperatur i Hal C. Active Temperature Control System (ATCS), udviklet i slutningen af ​​2019, endelig produceret tilstrækkelig termisk stabilitet uden for og inde i ballonen til at dæmpe strømmene inde i detektoren, endelig forhindrer de forurenende isotoper i at blive båret fra ballonens vægge ind i detektorens kerne.

Indsatsen gav pote.

"Elimineringen af ​​denne radioaktive baggrund skabte en region med lav baggrund i Borexino, der gjorde måling af CNO neutrinoer mulig, " sagde Calaprice.

"Dataene bliver bedre og bedre"

Før CNO neutrino opdagelsen, laboratoriet havde planlagt at afslutte Borexinos operationer ved udgangen af ​​2020. Nu, Det ser ud til, at dataindsamling kan strække sig ind i 2021.

Mængden af ​​stadig kulbrinter i hjertet af Borexino-detektoren er fortsat med at vokse i størrelse siden februar 2020, når dataene for Natur papir blev samlet ind. Det betyder, at ud over at afsløre de CNO-neutrinoer, der er genstand for denne uges Natur artikel, der er nu også et potentiale for at hjælpe med at løse "metallicitets"-problemet - spørgsmålet om, hvorvidt kernen, ydre lag og solens overflade har alle den samme koncentration af grundstoffer, der er tungere end helium eller brint.

"Vi er fortsat med at indsamle data, da den centrale renhed er blevet ved med at blive bedre, gør et nyt resultat fokuseret på metalliciteten til en reel mulighed, " sagde Calaprice. "Ikke kun indsamler vi stadig data, men dataene bliver bedre og bedre."