Odkryto sposób, w jaki Słońce emituje energię. W eksperymencie brali udział Polacy

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.

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.

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.