لقطات حية من قلب الشمس

كاشف يلاحظ النيوتريونات الشمسية في الوقت الحقيقي لأول مرة

النيوتريونات في العبور: المنظر إلى كاشف بوريكسينو. داخل كرة يبلغ قطرها 14 متراً ، تصل جزيئات الأشباح من الشمس إلى 300 طن من سائل خاص وتولد ومضات صغيرة من الضوء هناك. © Borexino Collaboration
قراءة بصوت عال

في كل ثانية ، يخترق حوالي 70 مليار نيوترينو من داخل الشمس مساحة بحجم حجم الصورة المصغرة. ومع ذلك ، من الصعب مراقبة جزيئات الأشباح. حتى الآن ، كان من المستحيل اكتشاف النيوتريونات ذات الطاقة المنخفضة في الوقت الفعلي. لاحظ فريق بحث دولي لأول مرة مع جهاز Borexino للكشف عن Sonnenneutrinos وبالتالي فك تشفير الإشارات الجديدة للنجم. ذكرت الجسيمات ، مثل المجسات الصغيرة ، العمليات في نواة كرة الغاز الكونية.

{} 1L

الحياة على الأرض لا يمكن تصورها بدون الشمس ، فهي تعطي الضوء والدفء. يتم إنشاء الطاقة اللازمة لهذا داخل النجم: عند حوالي 15 مليون درجة مئوية ، تلتحم نوى الذرات المختلفة معًا. تنبعث باستمرار من مستويات مختلفة من الإشعاع والجزيئات - بعضها النيوترونات. تحصل الجسيمات الأولية على كميات مختلفة من الطاقة من خلال العمليات المختلفة في الداخل الشمسي وهي في طريقها عبر الشمس وعبر الكون. وقد لاحظ الباحثون النيوترونات العالية الطاقة في الوقت الفعلي في الماضي. ولكن هذه تأتي من عمليات في الشمس ، والتي تنتج سوى جزء صغير من الطاقة. ردود الفعل الأكثر شيوعا إطلاق النيوتريونات مع انخفاض الطاقة.

إشارات في الوقت الحقيقي

لاحظ فريق من الباحثين الدوليين ، بمن فيهم علماء من جامعة ميونخ التقنية ومعهد ماكس بلانك للفيزياء النووية ، هذه النيوتريونات منخفضة الطاقة في الوقت الفعلي لأول مرة. تنشأ هذه الجزيئات الأولية المحايدة من التحلل الإشعاعي للبريليوم في النواة الشمسية. عندما يسجل الباحثون بعد ذلك على الأرض ، يمكنهم مشاهدة بث مباشر كيف يتم إطلاق الطاقة داخل الشمس.

"لم يكن ذلك ممكنًا حتى الآن ، حيث قمنا بقياس النيوتريونات منخفضة الطاقة في أول تجربة نيترينو شمسية من هذا النوع ، Gallex / GNO ، تم حسابها على مدار الوقت فقط. يقول فرانز فون فيليتزتش من الجامعة التقنية في ميونيخ: "لا تزال عمليات رصد الشمس تختلف اختلافًا تامًا عن جسيمات الضوء". يستغرق ما لا يقل عن 100000 سنة لهذه الفوتونات للسفر من جوهر الشمس إلى السطح. لكن النيوتريونات تذوب عبر كرة الغاز دون عوائق. يوضح ستيفان شونيرت من معهد ماكس بلانك للفيزياء النووية: "أبحاث النيوترينو تقدم تقارير في الوقت الحقيقي عن ناتج الطاقة في الشمس" ، "ومع ذلك ، فهي تعاني أيضًا من عيوبها ، لأن علينا أولاً قياس النيتريونات وفعل ذلك فقط".

محمية في باطن الأرض

لا يتمثل التحدي الذي يواجه أبحاث النيوترينو في وجود عدد قليل جدًا من النيوتريونات. على العكس ، فإن ما يصل إلى 70 مليار نيوترينو يجتاز سنتيمترًا مربعًا واحدًا من سطح الأرض كل ثانية. ومع ذلك ، لديهم طاقة مختلفة وهي مكون واحد فقط من سرب شعاع كامل. بالإضافة إلى النيوتريونات ، هناك مجموعة كبيرة من الجزيئات والإشعاع الأخرى تشيد بكاشفات العلماء.

لذلك فر فريق Borexino من خلال تجربته في باطن الأرض - على بعد كيلومتر واحد تحت سطح الأرض. في مختبر غران ساسو تحت الأرض في أبروتسي الإيطالية ، قام العلماء ببناء فخ نيوترينو عملاق ، بدأ تشغيله في 16 مايو من هذا العام. قلب تجربة Borexino هو كاشفها الذي يحتوي على 300 طن من السائل. يقول لوثار أوبروير من TUM: "اكتشفنا في القياسات الأولى أن حوالي 50 نيوترينوًا يوميًا من Berylliumzerfall داخل الكاشف تولِّد وميضًا من الضوء".

لقطة من جزيئات الأشباح

عشب النيوتريونات من خلال هذا السائل ، والذي يُطلق عليه اسم scintillator ، ثم يصطدم هناك مع الإلكترونات الفردية في الذرات. تتلقى الإلكترونات جزءًا من الطاقة من النيوترينو وتنقلها إلى الجزيئات المجاورة. ثم ترتفع إلكتروناتها إلى مستوى طاقة أعلى - وبالتالي يكون الجزيء في حالة من الإثارة. تتأرجح الإلكترونات بلا هوادة على ممراتها الجديدة ثم تعود في النهاية إلى أماكنها الأصلية ، ولكن ليس من دون دفع ثمن: عليها أن تتخلى عن الطاقة عن طريق إصدار جزيئات ضوئية ترسل.

يلاحظ 2،200 جهاز استشعار هذا الضوء ويرسل الإشارات إلى جهاز الكمبيوتر. ثم يسجل في الوقت الحقيقي مقدار الطاقة التي تصدرها ومضات الضوء ومن أين تأتي. وبهذه الطريقة ، يقوم الباحثون بعمل نوع من اللقطات للنيوتريونات المستعرة. تظهر الصور ، بدقة تصل إلى 13 سم ، حيث تأتي من ومضات الضوء من كاشف 14 متر.

كاشف على مبدأ لمبة

ومع ذلك ، يمكن أن تؤدي الإشعاعات الأخرى مثل النشاط الإشعاعي الطبيعي أو الجزيئات من الكون البعيد إلى إطلاق ومضات الضوء هذه. يقول شونرت: "لذلك ذهبنا تحت الأرض وبنينا الكاشف مثل ماتريوشكا متعدد القذائف لحماية أكبر قدر ممكن من هذا الإشعاع". في قلب الكاشف ، هناك طبقة نايلون رفيعة مصممة بدقة 100 ميكرون فقط تمسك باللمعان في الشكل.

طبقات إضافية من السائل ، مدعومة غمد الصلب ، بالإضافة إلى درع المؤثرات الأخرى ، مثل الإشعاع الكوني أو الرادون المتحلل الإشعاعي. تم اختيار جميع المواد خصيصًا لتجربة Borexino وفحصها للتأكد من صحتها. لكن الباحثين يستخدمون أيضًا وسائل بسيطة - الماء عالي النقاء ، على سبيل المثال. تم ترشيح 2400 طن من المياه في ظل ظروف صارمة وتعمل كحاجز للإشعاع الخارجي.

"كان التحدي الأكبر بالنسبة لنا ، مع ذلك ، هو تحرير أجزاء المكشاف من أدنى أثر للتلوث الإشعاعي الطبيعي" ، كما يقول شونيرت. تم إنتاج الأجزاء الفردية والسوائل للكاشف وتنظيفها وتركيبها تحت مراقبة الجودة الصارمة. بهذه الطريقة فقط يمكن للباحثين أن يستبعدوا أن مكونات مصيدة النيوترينو ليست هي التي تسبب ضوء التلألؤ. يقول أوبيرور: "هذه الآثار غير المرغوب فيها ستجعل من المستحيل مراقبة النيوتريونات الشمسية".

الضيوف في كاشف

ومع ذلك ، فإن بعض الجسيمات التي ليست من الشمس أو الفضاء هي موضع ترحيب: يقيس الباحثون أيضًا النيوترينات من المفاعلات النووية ومسرعات الجسيمات على الأرض. على سبيل المثال ، يرسل CERN في جنيف حزمة النيوترينو عبر الأرض التي لوحظت بالفعل مع البوريكسينو. يجب على الجسيمات الأولية أن تسافر أكثر من 732 كيلومترًا. وبالمثل ، فإن النيوتريونات من المفاعلات النووية الأوروبية تزدهر في المختبر تحت الأرض حتى تنتج سلسلة خاصة من ومضات الضوء في بوريكسينو. لكن الأرض نفسها ترسل إشارات. تُظهر إشارات النيوترينو هذه ، على سبيل المثال ، كيفية توزيع العناصر المشعة المختلفة في قشرة الأرض ، الوشاح ، والنواة. ويبلغون ، مثل أقاربهم من الشمس ، عن العمليات التي تولد الحرارة هناك.

توفر قياسات تجربة Borexino نظرة جديدة إلى أعمق الأرض والنجم. يجب أن توفر البيانات رؤى جديدة لفيزياء الجسيمات الفلكية وبالتالي تساعدنا على تعميق معرفتنا بالفضاء. "نحن نتطلع إلى النتائج المقبلة ونحن على استعداد للمفاجآت. يقول أحد الباحثين في ماكس بلانك Schönert: "إن انفجار سوبر نوفا في مجرتنا وإشارة النيوترينو سيتوج عملنا".

(idw - MPG / Technical University Munich، 21.08.2007 - DLO)