De ontdekking van neutrino's bracht een revolutie teweeg in de fysica. Dankzij deze elementaire deeltjes, geboren in het proces van nucleaire transformaties, was het mogelijk om uit te leggen waar de energie van de zon vandaan komt en hoe lang het nog te leven heeft. RIA Novosti vertelt over de kenmerken van zonne-neutrino's en waarom ze moeten worden bestudeerd.
Waarom schijnt de zon?
Natuurkundigen hebben sinds de jaren dertig geraden over het bestaan van een mysterieus elementair deeltje zonder lading dat wordt uitgestoten tijdens radioactief verval. De Italiaanse wetenschapper Enrico Fermi noemde het een kleine neutronen - neutrino. Dit (toen nog hypothetische) deeltje hielp de aard van de helderheid van de zon te begrijpen.
Volgens berekeningen ontvangt elke vierkante centimeter van het aardoppervlak twee calorieën van de zon per minuut. Gezien de afstand tot de ster, was het niet moeilijk om de helderheid te bepalen: 4 * 1033 erg. Waar komt het vandaan - deze vraag is al lange tijd niet beantwoord. Als de zon, die voornamelijk uit waterstof bestaat, gewoon zou hebben verbrand, zou hij al tienduizend jaar niet hebben bestaan. Aangezien het volume tijdens verbranding afneemt, moet de zon daarentegen worden verwarmd door de zwaartekracht. In dit geval zou het binnen ongeveer dertig miljoen jaar zijn uitgedoofd. En aangezien het meer dan vier miljard jaar oud is, heeft het een constante energiebron.
Zo'n bron bij monsterlijke temperaturen in een ster kan de reactie zijn van heliumfusie van twee protonen die de waterstofkern binnenkomen. In dit geval komt er veel thermische energie vrij en wordt er één neutrinodeeltje gevormd. Op basis van zijn grootte kan de zon tien miljard jaar branden voordat hij uiteindelijk afkoelt en verandert in een rode reus.
Om overtuigd te zijn van de geldigheid van deze hypothese, was het nodig om neutrino's te registreren die in de zon zijn geboren. Berekeningen toonden aan dat het moeilijk zou zijn om dit te doen, aangezien het deeltje zeer zwak interageert met materie en een verbazingwekkend penetrerend vermogen heeft. Wanneer het wordt geboren, reageert het met niets anders en bereikt het de aarde in acht minuten. Als de zon schijnt, wordt elke vierkante centimeter van onze huid doorboord door ongeveer honderd miljard neutrino's per seconde. Maar dat merken we niet. Deeltjesstromen passeren gemakkelijk planeten, sterrenstelsels en sterrenhopen. Overigens vliegen neutrino's die in de eerste seconden van de oerknal zijn geboren nog steeds in het heelal.
Promotie video:
Gevangen voor gif, water en metaal
Ondanks de inertie komen neutrino's nog wel eens in botsing met atomen van materie. Er zijn maar een paar van dergelijke evenementen per dag. Als je de detector afschermt tegen fotonen, kosmische straling, natuurlijke radioactiviteit, dan kan het resultaat van botsingen worden geregistreerd. Daarom worden neutrino-vallen diep onder de grond of in bergtunnels geplaatst.
De eerste methode voor het registreren van zonne-neutrino's werd in 1946 voorgesteld door de Italiaanse natuurkundige Bruno Pontecorvo, die in Dubna bij Moskou werkte. Hij schreef een simpele reactie van de interactie van een deeltje met een chlooratoom, resulterend in de geboorte van radioactief argon. Een dergelijke installatie werd gebouwd in het Homestake ondergrondse laboratorium in de VS, waar in 1970 voor het eerst zonne-neutrino's werden geregistreerd. In 2002 ontving natuurkundige Raymond Davies, die deze resultaten ontving, de Nobelprijs.
Vadim Kuzmin van het Instituut voor Nucleair Onderzoek, Russische Academie van Wetenschappen, vond een manier uit om de passage van neutrino's door een galliumoplossing te detecteren. Als gevolg van de botsing van deeltjes met atomen van dit element wordt radioactief germanium gevormd. Sinds 1986 werkt een detector die op dit principe is gebaseerd op het Baksan Neutrino Observatorium (Noord-Kaukasus) als onderdeel van het SAGE-gezamenlijk experiment in de VS.
Een jaar eerder waren waarnemingen van neutrino's begonnen in de Kamiokande-faciliteit in Japan, waar de detector water was, dat blauw gloeide toen elektronen werden geboren. Dit is de zogenaamde Cherenkov-straling.
Zonne-neutrino's zijn verloren en gevonden
Toen wetenschappers uit verschillende landen gegevens hebben verzameld over het aantal reacties van neutrino's met materie, bleken ze twee tot drie keer minder te zijn dan de theorie suggereert. Het probleem van neutrino-deficiëntie deed zich voor. Om het op te lossen, werd voorgesteld om de temperatuur van de zon te verlagen en in het algemeen de ideeën erover te veranderen. Het duurde drie decennia om het antwoord te vinden, en in plaats van een nieuw model van onze ster te bedenken, creëerden natuurkundigen een nieuwe theorie van neutrino's.
Het bleek dat de deeltjes op weg van de ster naar de aarde in hun verschillende modificaties kunnen reïncarneren. Dit fenomeen werd neutrino-oscillatie genoemd. In 2015 werd de Nobelprijs toegekend voor de bevestiging ervan en speelden experimenten op het Baksan Neutrino Observatorium een doorslaggevende rol. Nu is het de bedoeling om daar een universele detector te bouwen, die alle soorten neutrino's en antineutrino's registreert uit alle bronnen: de zon, het centrum van de Melkweg, vanuit de kern van de aarde.
Als natuurkundigen aanvankelijk neutrino's bestudeerden om de zon en de thermonucleaire fusie die erin plaatsvindt beter te begrijpen, heeft dit fundamentele deeltje nu op zichzelf geïnteresseerde wetenschappers. Het is bekend dat de massa neutrino's erg klein is, maar het is nog niet zeker berekend. En dit is belangrijk om de aard van de verborgen massa van het heelal te begrijpen. Het bestaan van een steriele neutrino wordt ook vermoed, die alleen door zwaartekracht in wisselwerking staat met materie. Astronomen hebben hoge verwachtingen van neutrinofysica, omdat ze hierdoor in de ingewanden van sterren en zwarte gaten kunnen kijken om meer te weten te komen over het ontstaan van de ruimte. De geheimen van neutrino's worden nog steeds begrepen in veel observatoria van de wereld, inclusief die in de wateren van het Baikalmeer en op de gletsjer van Antarctica.
Tatiana Pichugina
