Eksperyment Borexino prowadzony przez zespół naukowców w podziemnym laboratorium w Gran Sasso włoskiego Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej pozwolił udowodnić na drodze eksperymentalnej, że gwiazdy większe od Słońca wytwarzają energię na drodze cyklu węglowo-azotowo-tlenowego. Tym samym potwierdzono, że gwiazdy generują energię na co najmniej dwa sposoby, co z kolei pozwoli zrozumieć ich funkcjonowanie. W pracach nad tym przełomowym odkryciem współuczestniczyli polscy fizycy.
– W końcu mamy pierwsze przełomowe, eksperymentalne potwierdzenie tego, w jaki sposób wytwarzają energię gwiazdy cięższe od Słońca – podkreśla Gianpaolo Bellini, profesor na Uniwersytecie w Mediolanie. – To kulminacja trzydziestoletnich wysiłków, zapoczątkowanych w 1990 roku, i ponad 10 lat odkryć Borexino w dziedzinie fizyki Słońca, neutrin i wreszcie gwiazd.
W ramach eksperymentu Borexino włoscy naukowcy przyjrzeli się procesowi fuzji jądrowej zachodzącemu wewnątrz Słońca, który odpowiada za generowanie energii emitowanej przez gwiazdę. W przypadku obiektów tej wielkości fuzja w 99 proc. przebiega na drodze łączenia się ze sobą atomów wodoru, które przekształcają się w hel, pierwiastek o większej masie, uwalniając w trakcie tego procesu duże ilości energii.
Alternatywne zasilanie dla czerwonych olbrzymów
Głównym zadaniem Borexino było zbadanie pełnego spektrum strumienia neutrin powstającego podczas fuzji termojądrowej zachodzącej wewnątrz Słońca. Dogłębna analiza pozwoliła potwierdzić hipotezy dotyczące cyklu węglowo-azotowo-tlenowego (CNO) jako alternatywnego źródła energii pochodzenia słonecznego. Naukowcom udało się zarejestrować strumień neutrin generowanych na drodze cyklu CNO, udowadniając jego istnienie, a co za tym idzie, potwierdzając hipotezę dotyczącą reakcji termojądrowych wewnątrz masywnych gwiazd, których katalizatorami są atomy węgla, azotu oraz tlenu.
– Pomimo osiągniętych wcześniej wyjątkowych sukcesów i dysponując już niezwykle czystym i czułym detektorem, musieliśmy nadal ciężko pracować nad poprawieniem eliminowania i zrozumienia źródeł tła [procesów imitujących sygnał od neutrin, np. promieniowania kosmicznego – przyp. red.]. To pozwoliło zidentyfikować neutrina z cyklu CNO – tłumaczy Gioacchino Ranucci, badacz z sekcji INFN w Mediolanie, rzecznik prasowy projektu Borexino.
Detektor z polskim wkładem
Polscy naukowcy z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie wraz z ekspertami z Instytutu Fizyki Jądrowej im. Maxa Plancka w Heidelbergu oraz Uniwersytetu w Princeton byli odpowiedzialni za proces projektowania oraz konstruowania detektora do wykrywania strumieni neutrin na potrzeby eksperymentu Borexino. To dzięki wysokiej czułości tego urządzenia udało się uchwycić wąski strumień neutrin z cyklu CNO.
Przy projektowaniu detektora zdecydowano się na konstrukcję warstwową, aby zapewnić maksymalną radioczystość pomiaru. Dzięki temu stężenie radioizotopów w 300-tonowym ciekłym scyntylatorze jest przeszło o 18 rzędów wielkości niższe niż w wodzie mineralnej, co pozwoliło przeprowadzić pomiary o niespotykanej dotąd czułości.
– Wykrycie neutrin słonecznych produkowanych w cyklu CNO przez Borexino jest zwieńczeniem wieloletnich wysiłków, które doprowadziły nas do wykorzystania technologii ciekłego scyntylatora w nieosiągalny do tej pory sposób i uczynienia detektora Borexino najmniej radioaktywnym miejscem na Ziemi – przekonuje Marco Pallavicini, profesor na Uniwersytecie w Genui i członek zarządu INFN, obecnie współrzecznik eksperymentu.
Po raz pierwszy hipotezę dotyczącą istnienia cyklu CNO wewnątrz masywnych gwiazd wysunęli w 1938 roku naukowcy Hans Bethe oraz Carl von Weizsaecker. Eksperyment Borexino pozwolił potwierdzić tę teorię na polu eksperymentalnym. Choć cykl CNO odgrywa niewielką rolę w przypadku Słońca, ma kluczowe znaczenie dla życia i ewolucji bardziej masywnych gwiazd. To z kolei może pomóc lepiej zrozumieć pochodzenie cięższych pierwiastków, które umożliwiają życie na Ziemi.
Źródło: Newseria
