Odkrywanie tajemnic Słońca

Słońce produkuje energię w reakcji fuzji jądrowej, w której wodór zamieniany jest w hel. Może ona zachodzić na dwa sposoby: w tzw. cyklu PP, w którym produkowane jest 99 % energii słonecznej oraz w tzw. cyklu CNO, gdzie węgiel, azot i tlen odgrywają rolę swego rodzaju katalizatora. W wyniku bezpośredniego pomiaru strumieni neutrin słonecznych typu pp, ⁷Be i ⁸B detektorem BOREXINO, potwierdziliśmy wcześniej doświadczalnie występowanie cyklu PP, co zostało opisane w prestiżowym czasopiśmie Nature (Nature 512 (2014) 383). Natomiast najnowsze dane eksperymentalne wskazują jednoznacznie na rejestrację neutrin z cyklu CNO, co jest pierwszym eksperymentalnym potwierdzeniem istnienia tego źródła energii.

Międzynarodowy zespół BOREXINO z udziałem grupy z Instytutu Fizyki im. M. Smoluchowskiego Uniwersytetu Jagiellońskiego, realizujący w Laboratorium Podziemnym w Gran Sasso włoskiego Istituto Nazionale di Fisica Nucleare eksperyment o tej samej nazwie, opublikował, również w Nature (Nature 587 (2020) 577), doniesienie o bezprecedensowej detekcji neutrin z cyklu CNO produkowanych w Słońcu. Ten niezwykle trudny do przeprowadzenia i mający ogromne znaczenie astrofizyczne pomiar, zamyka fascynujący rozdział badań, którego początki sięgają lat trzydziestych ubiegłego wieku. Jego implikacje dla zrozumienia mechanizmu generowania energii w gwiazdach, znacznie większych niż Słońce, są nie do przecenienia. Istotnie, ponieważ w tych gwiazdach cykl CNO jest dominującym źródłem energii, zespół BOREXINO uzyskał doświadczalne potwierdzenie dotyczące występowania głównego procesu spalania wodoru we Wszechświecie. Badania te zostały uhonorowane m.in. prestiżową Nagrodą Europejskiego Towarzystwa Fizycznego Giuseppe i Vanna Cocconi.

Pierwszy bezpośredni i dokładny pomiardr hab. Grzegorz Zuzel 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. Od 1994 roku grupa BOREXINO z Instytutu Fizyki UJ w Krakowie, uzyskując finansowanie w ramach kilku grantów pozyskanych z Narodowego Centrum Nauki, odgrywała kluczową rolę w projektowaniu i budowie detektora oraz jego infrastruktury. We współpracy z Instytutem Fizyki Jądrowej im. Maxa Plancka w Heidelbergu oraz Uniwersytetem w Princeton uzyskaliśmy bezprecedensową czystość detektora ze względu na poziom zawartości izotopów promieniotwórczych, co było kluczem do wykonania opisanych pomiarów.

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 a 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, 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 nam możliwość rejestracji neutrin typu CNO. Stężenie radioizotopów w 300 tonach ciekłego scyntylatora, w którym rejestrowane są neutrina słoneczne, jest o ponad dziesięć rzędów wielkości niższe, niż w stołowej wodzie mineralnej. Jest to globalnie najczystsza znana materia pod względem zawartości izotopów promieniotwórczych. Pomiar strumienia neutrin z cyklu CNO, oprócz bezprecedensowo niskiego tła detektora, wymagał także zastosowania zaawansowanych i nowatorskich softwarowych metod analizy danych.

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 w ubiegłym roku po 14 latach funkcjonowania zakończył swój program naukowy, 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. W trakcie fascynującej przygody rozwikływania tajemnic Słońca i gwiazd, która trwała niemal wiek, obserwacje neutrin słonecznych pozwoliły także wykryć zjawisko ich oscylacji, które do tej pory jest jednym z największych odkryć w dziedzinie fizyki cząstek w nowym tysiącleciu.

dr hab. Grzegorz Zuzel
Instytut Fizyki im. M. Smoluchowskiego Uniwersytetu Jagiellońskiego

Strona eksperymentu BOREXINO: https://borex.lngs.infn.it/