Odkrycie neutrin zrewolucjonizowało fizykę. Dzięki tym elementarnym cząstkom, które powstały w procesie przemian jądrowych, można było wyjaśnić, skąd pochodzi energia Słońca i jak długo jeszcze żyje. RIA Novosti mówi o cechach neutrin słonecznych i dlaczego należy je badać.
Dlaczego świeci słońce
Fizycy zgadywali istnienie tajemniczej cząstki elementarnej o zerowym ładunku, emitowanej podczas rozpadu radioaktywnego od lat trzydziestych XX wieku. Włoski naukowiec Enrico Fermi nazwał to małym neutronem - neutrinem. Ta (wtedy jeszcze hipotetyczna) cząstka pomogła zrozumieć naturę jasności Słońca.
Według obliczeń każdy centymetr kwadratowy powierzchni Ziemi otrzymuje od Słońca na minutę dwie kalorie. Znając odległość do gwiazdy nie było trudno określić jej jasność: 4 * 1033 erg. Skąd to się bierze - dawno nie było odpowiedzi na to pytanie. Gdyby słońce, które składa się głównie z wodoru, po prostu płonęło, nie istniałoby przez dziesięć tysięcy lat. Biorąc pod uwagę, że objętość zmniejsza się podczas spalania, przeciwnie, Słońce powinno być ogrzewane siłami grawitacji. W tym przypadku zgasłby za około trzydzieści milionów lat. A ponieważ jego wiek przekracza cztery miliardy lat, ma stałe źródło energii.
Takim źródłem w potwornych temperaturach wewnątrz gwiazdy może być reakcja fuzji helu z dwóch protonów wchodzących do jądra wodoru. W tym przypadku uwalnia się dużo energii cieplnej i powstaje jedna cząstka neutrina. Biorąc pod uwagę jego rozmiar, Słońce może palić się przez dziesięć miliardów lat, zanim w końcu ostygnie, zmieniając się w czerwonego olbrzyma.
Aby przekonać się o słuszności tej hipotezy, należało zarejestrować neutrina urodzone wewnątrz Słońca. Obliczenia wykazały, że byłoby to trudne, ponieważ cząstka bardzo słabo oddziałuje z materią i ma niesamowitą zdolność penetracji. Kiedy się rodzi, nie reaguje z niczym innym i dociera do Ziemi w osiem minut. Kiedy świeci słońce, każdy centymetr kwadratowy naszej skóry jest przebijany przez około sto miliardów neutrin na sekundę. Ale my tego nie zauważamy. Strumienie cząstek z łatwością przechodzą przez planety, galaktyki, gromady gwiazd. Nawiasem mówiąc, reliktowe neutrina urodzone w pierwszych sekundach Wielkiego Wybuchu wciąż latają we Wszechświecie.
Film promocyjny:
Złapany za truciznę, wodę i metal
Pomimo bezwładności neutrina nadal czasami zderzają się z atomami materii. Dziennie odbywa się tylko kilka takich wydarzeń. Jeśli osłonisz detektor przed fotonami, promieniowaniem kosmicznym, naturalną radioaktywnością, to można zarejestrować wynik zderzeń. Dlatego pułapki neutrinowe są umieszczane głęboko pod ziemią lub w górskich tunelach.
Pierwszą metodę rejestracji neutrin słonecznych zaproponował w 1946 r. Włoski fizyk Bruno Pontecorvo, który pracował w Dubnej pod Moskwą. Napisał prostą reakcję interakcji cząstki z atomem chloru, w wyniku której narodził się radioaktywny argon. Instalacja tego typu została zbudowana w podziemnym laboratorium Homestake w USA, gdzie po raz pierwszy zarejestrowano neutrina słoneczne w 1970 roku. W 2002 roku fizyk Raymond Davies, który otrzymał te wyniki, otrzymał Nagrodę Nobla.
Vadim Kuzmin z Instytutu Badań Jądrowych Rosyjskiej Akademii Nauk wynalazł sposób wykrywania przechodzenia neutrin przez roztwór galu. W wyniku zderzenia cząstek z atomami tego pierwiastka powstaje radioaktywny german. Od 1986 roku detektor oparty na tej zasadzie działa w Baksan Neutrino Observatory (Północny Kaukaz) w ramach wspólnego eksperymentu SAGE w USA.
Rok wcześniej obserwacje neutrin rozpoczęto w ośrodku Kamiokande w Japonii, gdzie detektorem była woda, która świeciła na niebiesko, gdy rodziły się elektrony. To jest tak zwane promieniowanie Czerenkowa.
Neutrina słoneczne są zagubione i znalezione
Gdy naukowcy z różnych krajów zgromadzili dane dotyczące liczby reakcji neutrin z materią, okazało się, że jest ich od dwóch do trzech razy mniej niż sugeruje teoria. Powstał problem niedoboru neutrin. Aby go rozwiązać, zaproponowano obniżenie temperatury Słońca i ogólną zmianę poglądów na ten temat. Znalezienie odpowiedzi zajęło trzy dekady i zamiast wymyślić nowy model naszej gwiazdy, fizycy stworzyli nową teorię neutrin.
Okazało się, że w drodze z gwiazdy na Ziemię cząsteczki są zdolne do reinkarnacji w swoich różnych modyfikacjach. Zjawisko to nazwano oscylacją neutrin. W 2015 roku za jej potwierdzenie przyznano Nagrodę Nobla, a decydującą rolę odegrały eksperymenty w Baksan Neutrino Observatory. Obecnie planowane jest zbudowanie tam uniwersalnego detektora, rejestrującego wszystkie rodzaje neutrin i antyneutrin ze wszystkich źródeł: Słońca, centrum Galaktyki, z jądra Ziemi.
Jeśli fizycy początkowo badali neutrina, aby lepiej zrozumieć Słońce i zachodzącą w nim fuzję termojądrową, to teraz ta fundamentalna cząstka zainteresowała naukowców. Wiadomo, że masa neutrin jest bardzo mała, ale na pewno nie została jeszcze obliczona. Jest to ważne, aby zrozumieć naturę ukrytej masy Wszechświata. Podejrzewa się również istnienie sterylnego neutrina, które oddziałuje z materią jedynie za pomocą grawitacji. Astronomowie wiążą duże nadzieje z fizyką neutrin, ponieważ pozwala im ona zajrzeć do wnętrzności gwiazd i czarnych dziur, aby dowiedzieć się o pochodzeniu kosmosu. Tajemnice neutrin do dziś poznaje się w wielu obserwatoriach świata, w tym w wodach jeziora Bajkał i na lodowcu Antarktydy.
Tatiana Pichugina