Rieth József: Anyagvilág - Háttérismeret

Hírnökök a Nap szívéből

Tartalomjegyzékhez < Világképem <  Anyag-időszak     

A neutrínódetektorok kevesebb neutrínót észleltek, mint amit a Nap működési modelljéből várni lehetett volna. Csak a 21. század elejére állt rendelkezésünkre a technika, hogy olyan detektorokat építsünk, amelyek érzékenyek az elektronneutrínókra és ugyanakkor a neutrínók mindhárom típusára is.

Sokáig nem tudták, miért mérünk kevesebb (elektron)neutrínót, mint amennyinek a Nap működésének modellje szerint a magban keletkeznie kell. A kísérletileg észlelt neutrínók száma közel harmada az elméleteink által megjósoltnak. A kísérletekből egyértelműen kimutatták, hogy nem mérési hiba okozza, továbbá a tapasztalt hiány egyaránt jelentkezett a kozmikus sugárzás, és a napneutrínók mérésénél is. Ezt nevezik napneutrínó-problémának (Solar Neutrinos Problem, Solar Neutrino Puzzle – SNP). Mint utólag (kilencvenes évek) kiderült, nem csak az összneutrínó-fluxus, hanem a relatív fluxusok értéke sem egyezik a standard napmodell által jósolttal. Alig detektáltak a 7Be-mag elektronbefogása után keletkező neutrínót, ezzel szemben jelentős számmal mértek a 8B-mag bomlásából. Ez ellentmondásban van a proton-proton ciklus lezajlásáról alkotott elképzeléseinkkel, miszerint 8B-magok nem keletkezhetnek 7Be-magok nélkül. A napneutrínó-probléma megoldására számtalan hipotézis/lehetőség felvetődött, például:

1 - Nem ismerjük kellőképpen a termonukleáris reakciókban szereplő hatáskeresztmetszetek értékeit, vagyis ezeket újra meg kell mérni, különösen az elágazási pontoknál találhatóakat. A meghatározó hatáskeresztmetszetek a következők:

1. σ(3He + 3He),

2. σ(3He + 4He),

3. az elektronbefogás gyakorisága a 7Be-ben és

4. a 7Be + p+ reakció hatáskeresztmetszete.

2 - Változtatnunk kell a standard napmodell bemenő fizikai paraméterein (például kor, luminozitás, felszíni kémiai összetétel, opacitásérték).

3 - Hibás a standard napmodell, a neutrínófluxusok számításnál nemkonzervatív napmodellekkel kell dolgoznunk. Ami elsősorban a Nap kémiai összetételét jelenti: az égési zóna nem tartalmaz héliumot. Ennek magyarázatára több elképzelés is felvetődött.

1. A Nap fejlődésének kezdeti szakaszán végbemehetett a kémiai elemek súly szerinti elkülönülése, ami egy passzív He centrális magot és egy reagáló H-burok létét sugallja. (Cameron, 1975; Foulkner, 1975)

2. A Nap centrális magja más lehet, mint a fősorozatbeli csillagoké, hélium helyett nehéz elemeket tartalmaz (Hoyle, 1975)

3. A Nap anyaga folyamatosan keveredik – aminek okát még nem ismerjük – és a héliumot kiemeli a magból, helyére pedig hidrogént juttat.

4. A közelmúltban végbement a Nap anyagában egy hirtelen keveredés, amit egy instabilitás lassú felépülése okoz. (Fowler, 1972)

4 - Az ionizált vasatommagok nem egyenletesen oszlanak el a Napban, ami befolyásolja a Nap hővezető képességét és ezen keresztül a centrális hőmérsékletet, ami pedig hatással van a reakciók hatáskeresztmetszetére.

 

5 -A rövid periódusú változások megfigyeléséből az a következtetés vonható le, hogy a Nap változócsillag.

 

6 - A neutrínó esetleges bomlása. Elméletben nincs olyan kizárási szabály vagy megmaradási törvény, ami ezt megtiltaná.

 

7 - Gyengén kölcsönható nagytömegű részecskék (WIMP-ek) centrális magbeli jelenléte.

A végső megoldást Pontecorvo olasz fizikus elmélete adta, mely szerint a háromféle neutrínó képes átalakulni egymásba. Ez a jelenség az anyag által felerősített rezonáns neutrínóoszcilláció, vagy más néven Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein effektus (MSW-effektus). Az oszcillációt elsőként a Super-Kamiokande és a Sudbury Neutrino Observatory nevű neutrínódetektorok mutatták ki. Ezeknek a detektoroknak a mérési technikája lehetővé teszi mindhárom típusú neutrínó észlelését.

A mérések alapján arra következtettek, hogy a mért neutrínók száma megegyezik az elméletileg jósolttal, csak az elektronneutrínók számában tapasztaltak eltérést. Ebből egyértelműen neutrínóoszcillációra következtettek. Az elmélet (standard modell) szerint az oszcilláció ténye egyben azt is jelenti, hogy a neutrínók is rendelkeznek nyugalmi tömeggel, habár az nagyon kicsi. 2001-es mérések alapján ennek értéke:
Δm2 = 4,2 ·10−5 eV2 és     m0 ~ 10-6 me > 0

A neutrínóoszcillációt több – egymástól különböző – neutrínóforrásnál is megfigyelték különböző detektálási technikával, más-más energiatartományban:

Napneutrínók (HOMESTAKE, SNO)
Atmoszférikus neutrínók (IMB, MACRO, Super-Kamiokande)
Reaktorban keletkező neutrínók (KamLAND)
Neutrínóbomlás (MINOS, LSND, MiniBooNE, Super-Kamiokande, K2K)

A napneutrínók a Nap és a többi csillag energiáját adó atommagfúzió során keletkeznek. A Nap rendkívül intenzív neutrínóforrás: belsejében másodpercenként 3,8·1038 neutrínó keletkezik. Ezek zöme a proton-proton ciklusban, kisebb részük a CNO-ciklusban keletkezik. A napneutrínók – kicsi hatáskeresztmetszetük következtében – könnyen kijutnak a Nap belsejéből (ellentétben a fotonokkal, amiknek akár 10⁶ évre is szükségük van minderre) és keletkezésüktől számítva 8,3 perc alatt érik el a Földet (mivel fénysebességgel haladnak).

A napneutrínók energiaspektruma a magreakciók részleteinek függvénye. Az energiaspektrum 0,4 MeV-tól 19 MeV-ig terjed. (A különböző forrásokból érkező neutrínók közül a napneutrínók energiája a legkisebb.) A napneutrínókat érkezési irányuk alapján különböztetik meg az atmoszférikus neutrínóktól, amelyek ellentétben velük, irányfüggetlen háttérzajt keltenek. A másik jelentős különbség, hogy a napneutrínók intenzitása függ a Föld Naptól mért távolságától: nyáron (naptávolban) valamivel kisebb a jelintenzitás, mint télen (napközelben).

Azok a kísérletek, amelyek a napneutrínókat detektálják, lehetővé teszik a Nap belsejében uralkodó fizikai körülmények meghatározását. Az energiatermelés pontos mechanizmusának ismeretében pedig tökéletesíthetjük a Nap szerkezetére és fejlődésére felállított asztrofizikai elméleteinket, különös tekintettel a széles körben elfogadott és alkalmazott ún. standard napmodellre.

A napneutrínók keletkezése

A Nap energiájának néhány százalékát neutrínók formájában sugározza ki, melyek zöme a pp ciklus során keletkezik. Ez a kísérleti tapasztalat (többek között) a pp ciklus dominanciáját támasztotta alá. Ennek során négy proton alakul héliummaggá, amely egyidejűleg három különböző módon valósulhat meg, azaz a pp ciklusnak három allánca (ppI, ppII, ppIII) létezik.

A lánc elején két proton héliummá alakulása kétféleképpen mehet végbe. Az egyik lehetőség a közvetlen proton–proton (pp) reakció, amiben a pp cikluson belül a napneutrínók zöme keletkezik. Ennek során az egyik proton a másik közvetlen közelében neutronná bomlik; a két részecske ezután a hidrogén egyik nehéz izotópjává, deutériummá egyesül, miközben egy pozitron és egy neutrínó szabadul fel. Az ebben a reakcióban keletkező neutrínók maximális energiája 0,42 MeV lehet.

A másik neutrínótermelő folyamatban három részecske – két proton és egy elektron – vesz részt, s egy deutériummag, valamint egy neutrínó keletkezik. Ezeket a neutrínókat pep (proton–elektron–proton) neutrínóknak nevezzük, energiájuk maximum 1,442 MeV. Ennek a reakciónak a valószínűsége azonban jóval kisebb, mint a proton–proton reakcióé.

A folyamat második lépése során az említett két reakcióban létrejött deutériummag egy újabb protonnal gamma-sugárzás kíséretében hélium–3 maggá egyesül

Az említett két reakcióban létrejött deutériummag egy újabb protonnal gamma-sugárzás kíséretében hélium–3-maggá egyesül, mely két protont és egy neutront tartalmaz. Az elfogadott elméletek szerint a reakciólánc az esetek 93%-ában úgy fejeződik be, hogy két hélium–3 mag egyesül egy alfa-részecskévé, miközben két felesleges proton szabadul fel, melyek ezután ismét belépnek a ciklusba. E folyamat során tehát további neutrínók nem keletkeznek. Az esetek megközelítőleg 7%-ában azonban a hélium–3 egy alfa-részecskével egyesül, és gamma-sugárzás kíséretében berillium–7 keletkezik; ami azután egy elektront elnyelve lítium–7-té alakul, kibocsátva egy neutrínót. E neutrínók 90%-ának energiája 0,861 MeV. Nagyon ritkán – nagyjából ezer esetből egyszer – a proton-proton ciklus végén a berillium–7 egy protonnal radioaktív bór–8-cá egyesül, amely azután két alfa-részecskére, egy pozitronra és egy nagy energiájú neutrínóra bomlik el. Ezek a neutrínók mintegy 15 MeV energiájúak; a számítások szerint az észlelt neutrínók zöméért ezen bór-8 magoknak a bomlása felelős. A Nap belsejében a hélium–3 magok magányos protonokkal is egyesülhetnek, aminek következtében egy alfarészecske, egy pozitron és egy neutrínó keletkezik. Az így létrejövő Hep (hélium–elektron–proton) neutrínók energiája akár a 18,77 MeV-ot is elérheti, ám ez a reakció olyan szórványosan – még a bór–8 mag bomlásánál is ezerszer ritkábban – fordul elő, hogy nem járul hozzá számottevően a detektorokkal megfigyelt neutrínómennyiséghez.

Napfizika. A neutrínók adtak elsőként lehetőséget arra, hogy bepillantást nyerjünk a Nap belsejében uralkodó fizikai viszonyokba. A közvetlen optikai megfigyelések ezt nem teszik lehetővé; a Nap magjában keletkező fotonoknak a magas nyomás és hőmérséklet következtében ugyanis közel 1 millió évre van szükségük, hogy a sokszoros Compton-szóráson keresztül elérjék a fotoszférát. A neutrínók ezzel szemben közel fénysebességgel hagyják el a magbeli keletkezésük helyét.

-----------------------

A világ egyik legérzékenyebb neutrínódetektorával egy nemzetközi kutatócsoportnak sikerült a világon elsőként a Nap nukleáris energiatermelésének alappillérét adó folyamatból, a proton-proton (pp) fúzióból származó neutrínókat közvetlenül kimutatni, s ezzel egyúttal igazolni, hogy a Nap energiájának 99 százaléka valóban ebből a reakcióból ered. Az Andrea Pocar, a Massachusetts-i Egyetem (Amherst) fizikusprofesszora vezette, több mint százfős kutatócsoport az eredményről a Nature-ben számolt be.

A napneutrínók közvetlenül a fúziós energiát termelő magból hoznak hírt (fantáziakép)

A Nap másodpercenként 600 millió tonna hidrogént alakít át héliummá, az így termelt energia 99 százaléka a proton-proton ciklusból származik: ennek a folyamatláncnak az első lépése a pp-reakció, melynek során két protonból (hidrogén atommagból) fúzióval egy deutériummag (deuteron) keletkezik, továbbá egy pozitron és egy (anti)neutrínó válik szabaddá. Ezt a folyamatot gyors egymásutánban két másik követi: a keletkezett deuteront egy további proton hélium-3 maggá alakítja, majd két hélium-3 mag hélium-4 maggá fuzionál, miközben két proton szabaddá válik. (CNO-ciklus, pp-ciklus)

Emellett a Napban végbemenő egyéb nukleáris folyamatokban, illetve a létrejövő nehezebb elemek radioaktív bomlásaiban is keletkeznek neutrínók. Ezek a részecskék minden más anyagi részecskével csak rendkívül gyengén hatnak kölcsön, ezért szinte akadálytalanul, közel fénysebességgel áramlanak ki a Napból: a Föld minden egyes négyzetcentiméterére másodpercenként mintegy 65 milliárd napneutrínó érkezik.

A Nap teljes energiatermelésének 99 százalékát a proton-proton ciklus adja

De éppen mert kölcsönhatásuk az atomos anyag egyéb részecskéivel rendkívül gyenge, szinte akadálytalanul suhannak át akár a Földön is: ezért észlelésük szintén roppant nehéz, és minden egyéb háttérsugárzást elszigetelő, hatalmas anyagtömeget befogadó óriásdetektorokat igényel.

„A napneutrínók közvetlenül a Nap rendkívül forró és sűrű magjából érkeznek, ahol a fúziós energiatermelés végbemegy, így erről a folyamatról hoznak híreket. Az ugyancsak a magból származó fotonoknak (fénynek) ezzel szemben több tízezer évre van szükségük ahhoz, hogy felverekedjék magukat a felszínig, ahonnan aztán napfényként (és egyéb láthatatlan elektromágneses sugárzások formájában) további 8 perc alatt érnek el hozzánk ~ mondta Pocar. — Ennek köszönhetően a felszínsugárzásokból, illetve a magból érkező neutrínók megfigyeléséből kapható adatok összevetéséből a Napban végbemenő folyamatokról egy mintegy 100 ezer éves időskálán kaphatunk információt. Másként fogalmazva: a Nap felszíni sugárzásai a magban több tízezer éve végbement, míg a napneutrínók az ott jelenleg végbemenő folyamatokba adnak betekintést."

A neutrínók észlelése nagy áthatolóképességük miatt általában véve is rendkívül nehéz, a két proton deuteronra fuzionálásából eredő pp-neutrínók kísérleti kimutatását pedig még tovább nehezíti, hogy energiájuk olyan alacsony energiatartományba esik, amelybe számos más, természetes radioaktív bomlásból származó neutrínóé, így ez utóbbiak olyan erős neutrínóhátteret hozhatnak létre, amely elfedheti a pp-napneutrínóktól származó jeleket. Ezért rendkívül fontos a más forrásokból származó háttér neutrínók kiszűrése.

A Borexino-neutrínódetektor

A Borexino neutrínódetektor az olasz Appenninekben lévő Gran Sasso Nemzeti Laboratórium egyik föld alatti csarnokában található, több mint 1400 méter vastag szikla- és kőzetréteg alatt. A detektort egy hengeres, felülről kupolával lezárt víztartályban helyezték el, amelyet ultratiszta vízzel töltöttek fel. Maga a mérőberendezés egy ultratiszta mérőtérfogatú folyadékszcintillátoros detektor, amelyet egy acélgömb vesz körül, ezen belül hagymaszerű szerkezete van: az egymást követő héjakat átlátszó, gömb alakú, flexibilis nylonballonok veszik körül. A detektor külső héjától befelé haladva a radioaktivitás szempontjából egyre tisztább anyagú rétegek következnek: a detektor legbelső, 4,25 méter sugarú ballonjában található ultra-tiszta folyadékszcintillátor a világ kozmikus és radioaktív sugárzásoktól legjobban védett detektora.

Jelenleg a Borexino az egyetlen olyan neutrínódetektor a világon, amely képes egyidejűleg a napneutrínók teljes spektrumát megfigyelni. A Napból érkező neutrínók háromféle „ízben" jutnak el hozzánk, mint elektron-, müon- és tau-neutrínók (a háromféle leptonhoz: elektronhoz, müonhoz és tau-részecskéhez kapcsolódva). A Nap magjában végbemenő pp-reakcióban mindig elektron-netrínók keletkeznek, ezek azonban a Földig tartó útjuk során átalakulhatnak a másik két típusba. Ez az úgynevezett neutrínóoszcilláció, amelyet mostanra már a Földön elvégzett kísérletek is igazoltak, a Borexino mostani mérései pedig szintén megerősítik.

A mérésben a legnagyobb kihívást a háttérsugárzások kiszűrése, illetőleg számításba vétele jelentette. A folyadékszcintillátoros detektor töltőfolyadéka szerves trimetil-benzol, amelyet kőolajból állítanak elő. Ez bizonyos arányban radioaktív C14-izotópot is tartalmaz — amelynek radioaktív bomlásában olyan alacsony energiás neutrínók keletkeznek, amelyek elnyomhatják a pp-napneutrínóktól származó jeleket. Ám minél régebbi a kőolaj, annál kevesebb benne a 14-es tömegszámú izotóp, ezért a töltőfolyadékot több millió éves kőolajból állították elő, s így sikerült elérniük, hogy a szcintillátor anyagának milliárdszor milliárdnyi atomja mindössze három C14-atomot tartalmazott.

A C14 kapcsán még egy további probléma is jelentkezett: két C14-atom egyidejű bomlásakor a szcintillátorban olyan folyamat megy végbe, amelynek hatása összetéveszthető a pp-reakcióból származó neutrínó keltette jellel. Az ebből eredő járulékot azonban sikerült a mérés kiértékelése során egy statisztikai eljárással leválasztani, s lényegében ez tette lehetővé, hogy a mérés érzékenységét oly mértékben növeljék, amire eredetileg maguk sem számítottak (a kutatási tervben sem szerepelt): így sikerült a pp-napneutrínókat közvetlenül kimutatni.

Tartalomjegyzékhez < Világképem <  Anyag-időszak     

-------------

Forrás: www.umass.edu/newsoffice/article/  detecting-neutrinos-physicists-look-heart

Élet és Tudomány - 2014/38 - 1188.o.

https://hu.wikipedia.org/wiki/Napneutr%C3%ADn%C3%B3-probl%C3%A9ma