Mokslininkai teigia atskleidę žvaigždėse vykstančių sintezių mechanizmo paslaptį - ir čia pagelbėjo paslaptingieji neutrinai

Tarptautinė Borexino sandarbio maždaug 100 mokslininkų komanda, kurioje ir dalelių fizikas iš Massachusetts Amherst universiteto Andrea Pocar, Nature šią savaitę žurnale praneša apie iš Saulės atskriejančius neutrinus, pirmą kartą tiesiogiai parodžiusių, kad mūsų Saulėje vyksta anglies-azoto-deguonies (CNO) sintezės ciklas.

CNO ciklas yra dominuojantis sunkesnių už Saulę žvaigždžių energijos šaltinis, bet lig šiol tiesiogiai nebuvo užfiksuotas jokioje žvaigždėje, paaiškina Pocaras.

Didelę dalį savo gyvenimo žvaigždės energiją gauna, versdamos vandenilį heliu, prideda jis. Tokiose žvaigždėse, kaip Saulė ar lengvesnėse, tai daugiausiai vyksta grandine „protonas-protonas“. Tačiau daug žvaigždžių už Saulę sunkesnės ir karštesnės, ir jose yra sunkesnių už helį elementų, ši savybė vadinama metalingumu. Nuo praėjusio amžiaus ketvirtojo dešimtmečio daroma prielaida, kad sunkiose žvaigždėse dominuoja CNO ciklas.

Vadovaudamiesi šio proceso skleidžiamų neutrinų spektru, mokslininkai gali atskirti atsirandančius „protonas-protonas“ grandinėje nuo atsirandančių „CNO cikle“. Pocaras pažymi, kad, „Saulėje vykstančio CNO degimo, teikiančio vos vieną procentą energijos, patvirtinimas sustiprina mūsų pasitikėjimą, kad žinome, kaip veikia žvaigždės.“

Be to, CNO neutrinai gali padėti išspręsti svarbų atvirą žvaigždžių fizikos klausimą, priduria jis. O būtent, kaip Saulės branduolio metalingumas – kurį įmanoma nustatyti tik pagal iš jo sklindantį CNO neutrinų srautą – susijęs su kitų žvaigždės sluoksnių metalingumu. Tradiciniai modeliai susidūrė su sunkumais – spektroskopiškai išmatuotas paviršiaus metalingumas nedera su kitokiu metodu, helioseismologiniais stebėjimais, išmatuotu popaviršiniu metalingumu.

Pocaras žaymi, kad neutrinai yra vienintelis rodiklis, kuriouo mokslas gali tiesiogiai tirti žvaigždžių, įskaitant ir Saulę, branduolius, bet juos itin sunku matuoti. Per kiekvieną kvadratinį Žemės paviršiaus centimetrą per sekundę pralekia 65 milijardai neutrinų, tačiau praktiškai visi pralekia, su niekuo nesąveikaudami. Mokslininkai juos gali aptikti, tik naudodami labai didelius detektorius, itin gerai apsaugotus nuo foninės radiacijos.

Borexino detektorius stovi centrinėje Italijoje, giliai po Apeninų kalnais esančioje INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Ja neutrinai aptinkamai kaip šviesos blyksniai, kylantys, kai neutrinai susiduria su elektronais 300 tonų ultragryno organinio scintiliatoriaus. Toks giliai po žeme esantis, itin grynas ir didžiulis Borexino detektorius vien jau dėl foninės radiacijos žemumo yra unikalus tokio mokslo tipo įrankis, nekalbant jau apie kitus savo klasės įrenginius, sako Pocaras. Šį projektą praėjusio amžiaus dešimtojo dešimtmečio pradžioje iniciavo grupė fizikų, kuriai vadovavo Gianpaolo Bellini iš Milano universiteto, Frank Calaprice iš Princetono ir Raju Raghavan iš Bell Labs.

Anksčiau Borexino sandarbis jau sėkmingai išmatavo Saulėje vykstančios „protonas-protonas“ grandinės komponentus, Saulės neutrinų svyravimus, padėjo patikslinti neutrinų aromato osciliacijos parametrus, ir, įspūdingiausia, netgi išmatavo pirmuosius ciklo žingsnius: labai žemos energijos „pp“ neutrinus, prisimena Pocaras.

Tyrėjai svajojo išplėsti stebėjimus bei ieškoti ir CNO neutrinų – siaurame spektro regione, kur fonas itin silpnas – bet tai atrodė nepasiekiama. Tačiau Princetono, Virginia Tech ir UMass Amherst tyrėjų grupės tikėjo, kad CNO neutrinai gali būti aptikti, naudojant papildomą išgrynininimą ir metodus, kuriuos jie išvystė, kad realizuotų reikiamą išskirtinį detektoriaus stabilumą.

Ilgainiui išmokus identifikuoti ir stabilizuoti foną, JAV mokslininkai ir visas sandarbis pasiekė sėkmę. „Be CNO neutrinų atradimo, aprašyto šios savaitės Nature straipsnyje, dabar yra netgi galimybė išspręsti ir metalingumo problemą,“ sako Pocaras.

Prieš CNO neutrinų atradimą, laboratorija planavo užbaigti Borexino veikimą 2020. Bet kadangi duomenys, panaudoti Nature straipsnio analizėje, buvo užšaldyti, mokslininkai ir toliau rinko duomenis, ir dėl didėjančio centrinio grynumo, tapo įmanoma gauti naujus, metalingumą apibūdinančius rezultatus, sako Pocaras. Duomenų rinkimas gali persikelti ir į 2021 metus, kadangi reikiama logistika ir leidimų gavimas nėra triviali užduotis, užimanti daug laiko. „Kiekviena papildoma diena padeda,“ pažymi jis.

Pocaras projekte dalyvavo nuo mokyklos baigimo Princetone, grupėje, kuriai vadovauja Frank Calaprice. Jis kūrė ir konstravo nailono indą ir prisidėjo skysčio tvarkymo sistemą. Vėliau su savo studentais dirbo UMass Amherst su duomenų analize ir galiausiai, su CNO neutrinų matavimo fono charakterizavimo technikomis.

University of Massachusetts Amherst
scitechdaily.com

Nuoroda: „Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun“ by The Borexino Collaboration, 25 November 2020, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-020-2934-0