Sciencemag.cz
Doporučujeme
Už několik desetiletí se vědci snaží ovládnout fúzní reakci, která by se mohla stát zdrojem energie budoucnosti. Jenže příroda se brání, a tak se zatím musíme učit třeba u naší životadárné hvězdy Slunce. Tam totiž fúzní reakce probíhají a leccos se o nich můžeme dovědět prostřednictvím neutrin.
Fyzikům zapojeným do experimentu Borexino se nyní podařilo uskutečnit dosud nejpřesnější měření toků neutrin, která vznikají při jaderných reakcích uvnitř Slunce. Detektor Borexino, který se nachází v hloubi pohoří Gran Sasso ve střední Itálii, zachytil neutrina ze čtyř různých reakcí probíhajících při vytváření helia-4 z vodíku. Výsledky potvrzují jaderný původ sluneční energie a mohly by vědcům pomoci přesně určit velikost nadbytku prvků těžších než helium uvnitř Slunce.
Přibližně 99 % sluneční energie je generováno reakcí, která začíná spojením dvou protonů. Tento protonový řetězec může pokračovat různými cestami. Ta nejběžnější zahrnuje fúzi dvou jader helia-3, zatímco některé jiné se vyznačují dočasnou produkcí berylia-7 nebo bóru-8. Občas může řetězec začínat i spojením dvou protonů a jednoho elektronu (reakce pep).
Aby mohli fyzici detekovat neutrina, která vznikají při jednotlivých reakcích, použili 300 tun uhlovodíkového kapalného scintilátoru. Když dojde ve scintilátoru k rozptylu elektronu v důsledku dopadu neutrina, generuje se záblesk světla, který je detekován soustavou fotoluminiscenčních trubic. Experiment má velmi nízkou úroveň radioaktivního rušení díky tomu, že samotná laboratoř se nachází 1400 metrů pod horou Gran Sasso, a také v důsledku ultračistých materiálů, které se ke stínění detektorů používají.
Fyzici využili data sesbíraná v letech 2012 až 2016. Ve své zprávě informují o velikosti záblesků způsobených neutriny, která pocházejí z následujících reakcí: počáteční fúze dvou protonů, zachycení elektronu beryliem-7, beta-rozpad bóru-8 a fúzi „pep“ (proton-elektron-proton). Všechny tyto veličiny sice už byly měřeny dříve, ale nikoli v rámci jednoho souboru dat. Navíc tři z těchto veličin se podařilo naměřit s dosud nejmenšími nepřesnostmi, konkrétně 9,5 % u reakce proton-proton, 2,7 % u reakce berylium-7 a 15 % u reakce pep.
Nové výsledky by měly vědcům umožnit lépe porozumět pochodům na Slunci i neutrinům samotným. Přispívají také k řešení fyzikální hádanky zvané „metalicity puzzle“, tedy ke zjištění, jak hojně jsou na Slunci zastoupeny těžší prvky, jako je uhlík, dusík, a kyslík. Výsledky z Borexina ukazují na poněkud vyšší teplotu jádra Slunce, což by svědčilo o relativně vysokém přebytku těchto prvků. Nová data jsou užitečná i pro základní fyziku. Experiment určil pravděpodobnost přežití slunečních elektronových neutrin při různých energiích, čímž současně a s velkou přesností zjišťuje a zkoumá paradigma změny vůně neutrin.
V budoucnosti by experiment Borexino mohl měřit neutrina z cyklu uhlík – dusík – kyslík (CNO). Tato alternativa k řetězci proton – proton, která používá uhlíková a dusíková jádra ke katalýze změny vodíku na helium, se považuje za nejvydatnější zdroj energie pro nejhmotnější hvězdy. A i když generuje pouze kolem 1 % energetického výstupu ze Slunce, pozorování příslušných neutrin by mohlo vyřešit problém přebytku těžších prvků, protože záblesky budou velmi citlivé na přítomnost těchto prvků ve sluneční atmosféře.
Šance Borexina na identifikaci takových neutrin se zvýšila v roce 2016, kdy byl detektor tepelně izolován. Předtím se teplota v laboratoři měnila v důsledku konvekčních proudů ve scintilátoru. Tyto proudy zanášely radioaktivní nečistoty z nylonových nádob obsahujících kapalinu do jádra detektoru. Teď má experiment lepší možnosti pro monitorování relevantního pozadí (bismut 210) a také pro potenciální možnosti měření CNO neutrin.
Mezi fyziky panuje velké očekávání, že Borexino uspěje, proto se vědci budou nadále snažit čistotu kapalného scintilátoru zvyšovat. Velkou komplikací je administrativní nařízení. Existuje totiž možnost, že experiment by mohl skončit v důsledku střetu s enviromentálním zákonem, který se týká spodních vod.
Borexino však není jediným experimentem, který může detekovat CNO neutrina. Jedním z dalších je vylepšená verze experimentu SNO+, který bude namísto těžké vody obsahovat kapalný scintilátor a bude větší a hlubší než Borexino. Jeho hlavním cílem je hledání bezneutrinového dvojitého rozpadu beta. Pokud však bude radioaktivní pozadí dostatečně nízké, pak by mohl mít experiment SNO+ dostatečnou citlivost i pro cyklus CNO.
Původní výsledky jsou uveřejněny v Nature.
autor: Jana Štrajblová
Převzato z Matfyz.cz
Pozvánka:
Jeden den s fyzikou
Čtvrtek 14. února 2019, areály Karlov a Troja
Den plný přednášek, exkurzí, experimentů – prostě setkání s fyzikou v budovách MFF UK. Tuto tradiční akci pořádáme pro středoškoláky, jejich pedagogy i pro příznivce fyziky z řad veřejnosti. Nabízí zajímavé experimenty a demonstrace, prohlídku špičkových zařízení na vědeckých pracovištích i rozhovory s pedagogy a studenty Matfyzu.
Podrobnosti/program
