Hayalet Parçacık Dedektörü
Devasa Yeraltı ‘Hayalet Parçacık’ Dedektörü, Güneşimizin Füzyon Döngüsünün Son Sırrını Buluyor
İtalya'nın derinliklerinde yeraltında bulunan aşırı duyarlı bir alet, nihayet güneşimizin çekirdeğinden CNO nötrinolarını ( karbon, nitrojen ve oksijenin varlığına işaret eden küçük parçacıklar ) tespit etme konusunda neredeyse imkansız bir görevi başardı. Bu az bilinen parçacıklar, güneşimize ve diğer yıldızlara güç veren füzyon döngüsünün son eksik detayını ortaya koyuyor.
26 Kasım 2020'de Nature dergisinde yayınlanan sonuçlarda ( ve kapakta yer alan ), Borexino işbirliğinin araştırmacıları, ‘hayalet parçacıklar’ olarak adlandırılan bu nadir tipteki nötrinoların ilk tespitlerini bildirdiler çünkü çoğu maddeden ayrılmadan geçerler.
Nötrinolar, Orta İtalya'da muazzam bir yeraltı deneyi olan Borexino dedektörü tarafından tespit edildi. Çok uluslu proje, Amerika Birleşik Devletleri'nde, Princeton'da fahri fizik profesörü olan Frank Calaprice tarafından yönetilen ortak bir hibe kapsamında Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenmektedir; Princeton'dan 2003 mezunu ve Massachusetts - Amherst Üniversitesi'nde fizik profesörü olan Andrea Pocar; ve Virginia Politeknik Enstitüsü ve Eyalet Üniversitesi'nde ( Virginia Tech ) fizik profesörü Bruce Vogelaar.
"Hayalet parçacık" tespiti, 1930'larda güneşimizin enerjisinin bir kısmının karbon, nitrojen ve oksijeni ( CNO ) içeren bir reaksiyonlar zinciri tarafından üretildiğine dair tahminleri doğrular. Bu reaksiyon güneş enerjisinin % 1'inden azını üretir, ancak daha büyük yıldızlarda birincil enerji kaynağı olduğu düşünülmektedir. Bu işlem iki nötrino ( bilinen en hafif temel madde parçacıkları ) ve diğer atom altı parçacıkları ve enerjiyi serbest bırakır. Hidrojenden helyuma füzyon için daha bol olan süreç aynı zamanda nötrinoları da serbest bırakır, ancak spektral imzaları farklıdır ve bilim adamlarının aralarında ayrım yapmasına izin verir.
Borexino'nun yaratıcılarından biri ve baş araştırmacılarından biri olan Calaprice, "Sadece % 1 seviyesinde çalıştığı güneşimizde CNO yanmasının doğrulanması, yıldızların nasıl çalıştığını anladığımıza dair güvenimizi pekiştiriyor" dedi.
CNO nötrinoları: Güneşe açılan pencereler
Yıldızlar, yaşamlarının büyük bir bölümünde hidrojeni helyuma dönüştürerek enerji elde ederler. Güneşimiz gibi yıldızlarda bu, ağırlıklı olarak proton - proton zincirleri aracılığıyla gerçekleşir. Bununla birlikte, daha ağır ve daha sıcak yıldızlarda, karbon ve azot, hidrojen yanmasını katalize eder ve CNO nötrinolarını serbest bırakır. Nötrinoları bulmak, güneşin iç kısmının derinliklerindeki işleyişe bakmamıza yardımcı olur; Borexino dedektörü proton - proton nötrinolarını keşfettiğinde, haberler bilim dünyasını aydınlattı.
Ancak CNO nötrinoları, yalnızca CNO sürecinin güneşte iş başında olduğunu doğrulamakla kalmaz, aynı zamanda yıldız fiziğindeki önemli bir açık sorunun çözülmesine de yardımcı olabilir: Güneşin iç kısmının ne kadarı astrofizikçilerin herhangi bir element olarak tanımladığı "metallerden" oluşur hidrojen veya helyumdan daha ağır ve çekirdeğin “metalikliği” nin güneş yüzeyinin veya dış katmanlarınkine uyup uymadığı.
Ne yazık ki nötrinoları ölçmek son derece zordur. Bunların 400 milyardan fazlası her saniye Dünya yüzeyinin her santimetrekaresine çarpar, ancak neredeyse tüm bu "hayalet parçacıklar" hiçbir şeyle etkileşime girmeden tüm gezegenin içinden geçerek, bilim insanlarını bunları tespit etmek için çok büyük ve çok dikkatli bir şekilde korunan aletler kullanmaya zorlar..
Borexino dedektörü, İtalya'nın Ulusal Nükleer Fizik Enstitüsü Laboratori Nazionali del Gran Sasso ( LNGS ) Laboratori Nazionali del Gran Sasso'da ( LNGS ), Orta İtalya'daki Apennine Dağları'nın yarım mil ( 0.8 km. ) altında, 300 ton ultra ile dolu dev bir naylon balonun ( yaklaşık 30 fit [ 9,14 m. ] genişliğinde ) yer almaktadır - saf sıvı hidrokarbonlar, suya batırılmış çok katmanlı küresel bir bölmede tutulur. Gezegenden geçen nötrinoların küçük bir kısmı, bu hidrokarbonlardaki elektronları sekerek, su tankını kaplayan foton sensörleri tarafından tespit edilebilen ışık flaşları üretecek. Büyük derinlik, boyut ve saflık, Borexino'yu bu tür bilim için gerçekten eşsiz bir dedektör yapar.
Borexino projesi 1990'ların başında Calaprice, Milan Üniversitesi'nden Gianpaolo Bellini ve merhum Raju Raghavan ( daha sonra Bell Laboratuvarlarında ) liderliğindeki bir grup fizikçi tarafından başlatıldı. Son 30 yılda, dünyanın dört bir yanındaki araştırmacılar, nötrinoların proton - proton zincirini bulmaya katkıda bulundular ve yaklaşık beş yıl önce ekip, CNO nötrinolarının avına başladı.
Arka planı bastırmak
Calaprice, “Son 30 yıl radyoaktif arka planı bastırmakla geçti” dedi.
Borexino tarafından tespit edilen nötrinoların çoğu proton - proton nötrinolarıdır, ancak birkaçı tanınabilir bir şekilde CNO nötrinolarıdır. Ne yazık ki CNO nötrinoları, devasa naylon balondan sızan bir izotop olan polonyum-210'un radyoaktif bozunmasıyla üretilen parçacıklara benziyor. Güneşin nötrinolarını polonyum kirliliğinden ayırmak, 2014 yılında Princeton bilim adamlarının öncülüğünde başlayan özenli bir çaba gerektirdi. Radyasyonun balondan dışarı sızması engellenemediğinden, bilim adamları başka bir çözüm buldu: kirlenmiş dıştan gelen sinyalleri görmezden gelmek kürenin kenarını ve balonun derin iç kısmını koruyun. Bu, balon içindeki sıvı hareket hızını önemli ölçüde yavaşlatmalarını gerektiriyordu. Sıvı akışının çoğu ısı farklılıklarından kaynaklanır, bu nedenle ABD ekibi, sıvıyı olabildiğince hareketsiz hale getirmek için tank ve hidrokarbonlar için çok kararlı bir sıcaklık profili elde etmek için çalıştı. Sıcaklık, Vogelaar liderliğindeki Virginia Tech grubu tarafından kurulan bir dizi sıcaklık sondasıyla tam olarak haritalandı.
Calaprice, "Bu hareket yeterince azaltılabilirse, CNO nötrinolarından kaynaklanan beklenen günlük beş veya daha düşük enerjili geri tepmeleri gözlemleyebiliriz" dedi. "Referans olarak, hidrokarbon sıvısından bin kat daha az yoğun olan bir fit küp 'temiz hava', çoğunlukla radon gazından olmak üzere günde yaklaşık 100.000 radyoaktif bozulma yaşıyor."
Princeton ve Virginia Tech bilim adamları ve mühendisleri, akışkan içinde hareketsizliği sağlamak için dedektörü yalıtmak için donanım geliştirdiler - esasen etrafını sarmak için dev bir örtü - 2014 ve 2015'te, ardından mükemmel bir şekilde sabit bir sıcaklık sağlayan üç ısıtma devresi eklediler. Bunlar dedektörün sıcaklığını kontrol etmeyi başardılar, ancak Borexino'nun bulunduğu Salon C'deki mevsimsel sıcaklık değişiklikleri hala küçük sıvı akımlarının devam etmesine neden olarak CNO sinyalini engelliyordu.
Bu nedenle, iki Princeton mühendisi, Antonio Di Ludovico ve Lidio Pietrofaccia, LNGS personel mühendisi Graziano Panella ile C Salonunda sabit bir hava sıcaklığını koruyan özel bir hava işleme sistemi oluşturmak için çalıştı. Sonunda geliştirilen Aktif Sıcaklık Kontrol Sistemi ( ATCS ) 2019, nihayet dedektör içindeki akımları sessizleştirmek için balonun dışında ve içinde yeterli termal stabilite üretti ve nihayetinde kirletici izotopların balon duvarlarından dedektörün çekirdeğine taşınmasını engelledi.
Çaba karşılığını verdi.
Calaprice, "Bu radyoaktif arka planın ortadan kaldırılması, Borexino'nun düşük bir arka plan bölgesi oluşturarak CNO nötrinolarının ölçümünü mümkün kıldı" dedi.
"Veriler gittikçe daha iyi hale geliyor"
CNO nötrino keşfinden önce laboratuvar, Borexino operasyonlarını 2020'nin sonunda sonlandırmayı planlamıştı. Şimdi, veri toplamanın 2021'e kadar uzayabileceği görülüyor.
Borexino dedektörünün kalbindeki hareketsiz hidrokarbon hacmi, Nature makalesi için verilerin toplandığı Şubat 2020'den bu yana büyümeye devam etti. Bu, bu haftanın Nature makalesinin konusu olan CNO nötrinolarını açığa çıkarmanın ötesinde, artık “metallik” sorununu da çözme potansiyeli olduğu anlamına geliyor - güneşin çekirdeği, dış katmanları ve yüzeyinin tümü olup olmadığı sorusu - helyum veya hidrojenden daha ağır elementlerin aynı konsantrasyonuna sahiptir.
Calaprice, "Merkezi saflık gelişmeye devam ettiğinden, metalikliğe odaklanan yeni bir sonucu gerçek bir olasılık haline getirdiğinden veri toplamaya devam ettik" dedi. "Yalnızca veri toplamakla kalmıyoruz, aynı zamanda veriler gittikçe daha iyi hale geliyor."
Borexino ekibindeki diğer Princeton'lular arasında süper saflaştırılmış detektör sıvısını tasarlayan emeritus kimya ve biyolojik mühendislik profesörü Jay Benziger; Cristiano Galbiati, fizik profesörü; Borexino'nun orijinal proje yöneticisi olan, uzay programlama ve planlamadan sorumlu yardımcı yardımcı olan Paul LaMarche; Fizik alanında doktora sonrası araştırma görevlisi olan XueFeng Ding; ve fizikte proje yöneticisi olan Andrea Ianni.
Borexino kolektifindeki birçok bilim insanı ve mühendis gibi, Vogelaar ve Pocar da Calaprice'nin Princeton'daki laboratuvarındayken projeye başladılar. Vogelaar, Princeton'da araştırmacı ve ardından yardımcı doçent iken naylon balon üzerinde çalıştı ve Virginia Tech'de kalibrasyon, dedektör izleme ve akışkan dinamiği modelleme ve termal stabilizasyon üzerinde çalıştı. Pocar, Princeton'da naylon balonun tasarımı ve inşası ve sıvı işleme sisteminin devreye alınması üzerinde çalıştı. Daha sonra UMass - Amherst'teki öğrencileriyle CNO ve diğer güneş nötrino ölçümlerinin arka planlarını karakterize etmek için veri analizi ve teknikler üzerinde çalıştı.
Bu çalışma ABD'de Ulusal Bilim Vakfı, Princeton Üniversitesi, Massachusetts Üniversitesi ve Virginia Tech tarafından desteklenmiştir. Borexino, İtalyan Ulusal Nükleer Fizik Enstitüsü ( INFN ) ve Almanya, Rusya ve Polonya'daki fon ajansları tarafından finanse edilen uluslararası bir işbirliğidir.
