SUNCE
šesti deo

7. DETEKCIJA NEUTRINA

Teoretičari su prilično sigurni da se u centru Sunca odigrava proton-proton ciklus. Zasnovani na detaljnim kompjuterskim simulacijama matematički modeli Sunca - temperature, gustine, sastava, nuklearnog goriva itd, predvidaju osobine koje se vrlo dobro slažu sa posmatranjima Međutim, posmatranja su ograničena na spoljašnjost Sunca - fotosferu, hromosferi i koronu. Astronomi poseduju vrlo malo direktnih dokaza nuklearnih reakcija u centru Sunca. razlog je vrlo jednostavan: elektromagnetno zračenje iz dubine Sunca ne može da se probije napolje. Moćni fotoni g-zraka nastali u jezgru Sunca bivaju apsorbovani i ponovo emitovani u različitim pravcima na njihovom putovanju, koje traje oko hiljadu godina, do površine. Ovi fotoni Sunce najčešće napuštaju u obliku vidljivog ili IC zračenja.

Nasuprot fotonima neutrini, koji takođe nastaju kao produkt proton-proton ciklusa, bez ikakvih teškoća napuštaju Sunce, uopšte ne interagujući sa njim. Krećući se brzinom svetlosti neutrini napuštaju našu zvezde samo nekoliko sekundi nakon nastanka. Za razliku od g-zraka, koji zagrevaju Sunce interagujući sa materijom u njegovoj unutrašnjosti (prilikom apsorpcije g-foton predaje deo svoje energje atomu ili jonu koji ga je apsorbovao), neutrini uopšte ne zagrevaju okolinu, oni čak rashlađuju unutrašnjost Sunca odnoseci izvesnu količinu energije. Prema tome, neutrini, bar teoretski, pružaju mogućnost da se dobiju direktne informacijeo tome šta se dešava u centru Sunca. Naravno, činjenica da neutrini prolaze kroz čitavo Sunce bez interakcije ukazuje na to da je neutrine vrlo teško detektovati na Zemlji. Ipak, oni interaguju sa nekim hemijskom elementima, npr. hlor i galijum, i ova činjenica je vrlo značajna i presudna u konstrukciji instrumenata za detekciju neutrina. Povremeno neutrino sa Sunca može da udari u jezgro izotopa hlora ³⁷Cl i prevodi ga u ³⁷Ar, ili ako bi neutrino interagovao sa jezgrom ³¹Ga preveo bi ga u jezgro ³¹Ge.

Rezervoar u rudniku

Kasnih 60-tih godina XX veka tim naučnika iz Brukhevenske (Brookhaven) nacionalne laboratorije sagradio je veliki rezervoar na dnu jednog starog rudnika zlata, Homestake, u Južnoj Dakoti. Ovaj rezervoar su napunili sa 400.000 litara perhloretilena (tečnost koja se koristi u rashladnim uredajima). Na dubini od 1,5 km bilo je sigurno da je moguće izbeći uticaj bilo kojih dugih elementranih čestica sa Zemlje, zbog toga što većina subatomskih čestica ne može da se probije do te dubine. Ovaj rezervoar naučnici su ostavili u rudniku nekoliko meseci, a za to vreme su periodično detektorima proveravali da li je neki atom hlora preveden u argon, što bi ukazalo na postojanje neutrina.

Jedan mali deo energije nastale u Suncu (oko 2%) odnose oslobodeni neutrini. Ove stabilne leptonske čestice krećući se brzinom svetlosti za oko 2 sekunde dospevaju od mesta nastanka do površine Sunca. Prema standardnom modelu sa Sunca bi na kvadratni metar Zemljine površine svake sekunde trebalo da dospe izmedu 6,5 i 8,6 x 10¹⁰ neutrina. Na osnovu veličine detektora u predviđenih uslova i reakcija u jezgru Sunca, teoretičari su prognozirali da bi u rezervoaru u proseku, trebao da bude detektovan jedan neutrin svakog dana (svakog dana kroz rezervoar prolazi 10¹⁶ neutrina ali verovatnoća da se oni sudare sa atomima hlora u rezervoaru je mala, i zbog toga samo jedan neutrin može biti detektovan). Eksperiment je u pogledu detekcije neutrina bio uspešan, ali broj detektovanih neutrina bio je dosta manji od onoga što je teorija predviđala. Tokom celog eksperimenta u proseku je detektovano 2-3 neutrina nedeljno. Očigledno, jedini način koji je omogućavao da se "zaviri" u unutrašnjost Sunca suočio je naučnike sa problemom. Ovaj problem poznat je pod nazivom problem solarnih neutrina.

Bez obzira što je detekcija neutrina vrlo komplikovan i precizan eksperiment, gotovo je nemoguće da problem malog broja detektovanih neutrina leži u neispravnosti opreme ili u greškama prilikom merenja. deficit neutrina je konstantno registrovan u svim eksperimenima koji su ponavnljani i narednih decenija (do danas). Prva potvrda ispravnosti merenja stigla je iz Japana gde je takođe sagraden detektor neutrina, ali deficit neutrina bio je ekvivalentan. Sledeci ekspreimenti detekcije solarnih neutrina bili su SAGE (Soviet-American Gallium Experiment) i US-European GALLEX. U ova dva eksperimenta umesto hlora za detekciju neutrina korišćen je galijum, ali rezultat je uvek bio isti - detektovano je manje neutrina nego što je teorija predvidala. Teško je izbeći zaključak da postoji ozbiljno neslaganje između teorijske procene broja neutrina koje Sunce emituje i broja stvarno registrovanih neutrina. Kako je moguće objasniti ovo neslaganje? Ako, kao što naučnici smatraju, detektori dobro rade, postoje samo dva moguća načina za objašnjenje deficita neutrina. Prva mogućnost je da neutrini ne nastaju u tolikom broju kao što se smatra, a druga da ne stižu svi nastali neutrini do Zemlje.

Ako bi temperatura u jezgru bila niža, prema prihvaćenoj teoriji broj nastalih neutrina bio bi manji. Pri smanjenju temperature za 10% u odnosu na predvidanje Standardnog modela, tj. temperatura od 13,5 x 10⁶K, idalje bi bio moguć nastanak ⁴He, ali ovaj proces bio bi praćen nastankom manjeg broja neutrina. Ali, ako bi temperatura jezgra Sunca bila toliko manja smanjio bi se ukupan sjaj Sunca, pa se većina teoretičara slaže da numerički metodi ne mogu da naprave grešku od 1.5 x 10⁶K kad su sva druga posmatranja identicna sa teorijskim predvidanjima. Pored toga, vec pomenuti program GONG je eksperimentalno isključio mogućnost da je temperatura jezgra manja od 15 x 10⁶K. Ipak, po nekim teorijama, u unutrašnjosti Sunca otprilike svakih sto miliona godina dolazi do skokovitog mešanja materije, koje dovodi do širenja jezgra i pada temperature u njemu. Pretpostavlja se da, usled ovog mešanja, dolazi do povećanja koncenracije jezgara težih elemenata u jezgru Sunca u odnosu na površinske slojeve. Zbog toga opada i nivo nuklearnih reakcija, a samim tim smanjuje se i broj emitovanih neutrina.

Prema proračunima, ovakva stanja, sa sniženom temperaturom u jezgru Sunca, traju po desetak miliona godina. Najverovatnije je da se u ovom trenutku Sunce nalazi u jednom takvom medjustanju. Smatra se da je danas temperatura u jezgru Sunca oko 14 x 10⁶ što je nešto niže od vrednosti koju predviđa Standardni model. Umesto toga, karakteristike samih neutrina mogu da objasne nastale probleme. Ako bi neutrini posedovali bar vrlo malo masu, bilo bi moguće da oni promene svoje osobine, pa čak i da se transformišu u neke druge čestice tokom svog osmominutnog putovanja do detektora na Zemlji. Fizika elementarnih čestica poznaje tri oblika neutrina elektronski, mionski i taonski neutrino. U nuklearnim reakcijama na Suncu nastaju elektronski neutrini, ali tokom putovanja ka Zemlji oni mogu da se promene i postanu mionski ili taonski neutrini. Ovaj proces promene neutrina iz jednog oblika u drugi naziva se oscilacija neutrina. Prema ovom stanovištu, neutrini (elektronski) nastaju u jezgru Sunca u onom broju koji predvida Standrardni model, ali neki od njih menjaju svoj oblik i tako izbegavaju detekciju pošto detektori mogu da detektuju samo elektronske neutrine. Predložene su eksperimentalne metode u blizini nuklearnih reaktora na Zemlji u kojima se proizvode neutrini i oni ce najverovatnije omogućiti proveru ove ideje u narednih nekoliko godina.

U poslednjih nekoliko godina neutinska astronomija je napravila velike korake. Na brojna dosadasnja pitanja nađeni su odgovori ali su oni stvorili lavinu drugih pitanja. Najzaslužniji za izučavanje neutrina su Rejmond Dejvis iz Filadelfije i Masatoši Košiba iz Tokija koji su dobili Nobelovu nagradu za 2002. godine za "pionirski doprinos astrofizici a naročito za otkriće kosmičkih neutrina". Najnoviji neutriniski teleskop izrađen je u Sadberiju u Ontariju (Kanada) dva kilometra ispod zemlje u rudniku nikla. Centralna sfera napravljena od providne plastike sadrži hiljadu tona "teške vode". U ranijim eksperimentima je korištena voda i tetrahloretilen. Sfera je okružena sa 9600 velikih fotomultiplikatora koji analiziraju minijaturne svetlosne bljeskove svetlosti koji nastaju interakcijom neutrina sa teškom vodom. Celokupna opservatorija je zaštićena od kosmičkog zračenja sa dva kilometra stena iznad nje a od ostalog zračenja sa 7000 tona izuzetne čiste vode. Osamnestog juna 2001. godine grupa naučnika je posle niza eksperimentisanja objavila rezultate zašto do sada nije evidetiran dovoljan broj neutrina. Eksperiment je počeo 1999. godine. Oko 10 neutrina dnevno interaguje sa teškom vodom i daje potvrdu o svom prisustvu veoma slabim bljeskovima svetlosti. Za naredne dve godine registrovano je oko 1100 neutrina dovoljno da se dobije rešenje zagonetke koja je godinama mučila naučnike. Ustanovljeno je da se nuklearnone reakcije u centru Sunca odvijaju upravo onako kako treba da bude i daju očekivan broj elektronskih neutrina. Razlog zašto ih mi na Zemlji ne registrujemo je zato što neutrini u svom putu promene "ukus" i postaju mionski ili taonski neutrini. Ovaj proces promene neutrina iz jednog oblika u drugi naziva se oscilacija neutrina. Poređenja eksperimentalnih rezultata su nedvosmisleno pokazali da su "nedostajući" neutrini u stvari neutrini koji u svom putu do Zemlje promene u manje vidljiv oblik tj "ukus" kako naučnici vole da kažu.

Danas je neutrinaska astonomija u periodu detinjstva mada su neutrini otkriveni pre skoro 100 godina. Međutim njeno napredovanje ide veoma brzo. Neutrinske čestice (koje su materijalnom smislu jedno veliko "ništa") moći će možda da nam otkrije najveće tajne koje krije univerzum.

<< Nazad | vrh