Site pictogram Astroblogs

Borexino detector toont complete energie spectrum zonneneutrino’s in een momentopname

Een team onder leiding van natuurkundig onderzoeker Andrea Pocar van de Amherst Universiteit te Massachusetts (VS) publiceerde recent nieuwe resultaten op het gebied van zonneneutrino’s tot stand gekomen door onderzoek met de Borexino detector. Deze detector is een van de meest gevoelige neutrino detectoren op aarde, en bevindt zich diep verborgen in het Italiaans Apennijnen gebergte in de regio Abruzzo. 

Borexino detector credits; Z. Doswidszaln

Zo een 99 procent van de energie van de neutrino’s (een ongeladen subatomair en elementair deeltje) van de zon wordt geproduceerd door nucleaire kettingreacties geïnitieerd door proton-proton (pp) fusie waarbij waterstof wordt omgezet in helium.   ‘Neutrino’s uitgezonden door deze reactieketen representeren een uniek stuk gereedschap voor wetenschappelijk zonneonderzoek.’aldus Pocar. Het artikel van de onderzoeksgroep, gepubliceerd in Nature*, toont de eerste complete studie van alle componenten van de pp-keten uitgevoerd door Borexino. ‘De componenten bevatten niet alleen de pp neutrino’s maar ook de Beryllium-7 (7Be), pep (proton-electron-proton) en Boron-8 (8B) neutrino’s. De pp fusie reactie van twee protonen die deuteron** produceren, een deuterium kern, is de eerste stap van een reactie keten verantwoordelijk voor ongeveer 99 van de energie output van de zon’, aldus Pocar. Volgens hem is het niet een sprong vooruit maar is het de bekroning van 10 jaar data inzameling met dit experiment om het complete energie spectrum van de zonneneutrino’s  in een momentopname te tonen.

Volgens Pocar lever de Borexino de beste metingen tot nu toe aangaande de pp, de 7Be en de pep neutrino. Andere experimenten meten de 8B nog preciezer echter onze meting, met een iets lagere drempel, is consistent met de anderen. ‘Zodra je over nog preciezere data beschikt, kun je deze als input gebruik in het model van de zon, opdat dit model nog verder verfijnd kan worden. Dit alles leidt tot een steeds beter begrip van de processen gaande in de zon. Voor eerdere studies van de pp, 7B, pep en 8B neutrino’s, focuste het team zich op ieder van hen afzonderlijk in doelgerichte analyse van datasets uit afgebakende energie niveau’s. Pocar vergelijkt het met het beschrijven van een bos waarbij men van ieder type boom aparte foto’s maakt. De verzameling geeft je een idee van het bos, maar dit is niet hetzelfde als een foto van het gehele bos ineen. ‘Wat we nu gedaan hebben is een enkele foto nemen dat het gehele bos representeert, het gehele spectrum van alle verschillende neutrino’s ineen, in plaats van steeds in te zoomen op kleinere delen. Hierbij komt nog het gegeven dat ons team nu zo een goed begrip heeft gekregen van de Borexino dat we er zeker van zijn dat een momentopname zeker het gehele spectrum van neutrino’s representeert.

Borexino Gran Sasso lab credits; lnfn

Neutrino’s stromen uit de zon met bijna de snelheid van het licht, en slaan per cm2 tussen de 60-100 miljard keer per seconde op aarde in. Daar ze echter slechts interageren door middel van de zwakke kernkracht, passeren ze materie vrijwel onaangedaan, wat het zeer lastig maakt ze te detecteren en ze te onderscheiden van sporen van nucleair verval van gewone materie. De Borexino detecteert neutrino’s als ze interageren met de elektronen van een ultra-zuivere organische vloeistof scintillator (een materiaal dat fluoresceert wanneer het wordt geraakt door een geladen deeltje of een hoogenergetisch foton) in het hart van een grote bolvorm omgeven door 1000 ton water. Zijn grote diepte en vele ui-achtige beschermlagen maken dat de kern het meest stralings-vrije medium op aarde is. Het is nu de enige detector op aarde in staat om het gehele spectrum van neutrino’s van de zon simultaan te observeren. Pocar, hoofdonderzoeker van het uit meer dan 100 personen tellende onderzoeksteam gaat verder. Hij verlegt zijn focus naar toekomstig onderzoek dat het meten van CNO (koolstof, stikstof, zuurstof) neutrino’s centraal stelt. Dit onderzoek zou als resultaat moeten hebben meer duidelijkheid te verschaffen over de metaaleigenschappenvan de zon.  Pocar; ‘Er zijn twee modellen die verschillende niveaus van elementen zwaarder dan helium, dat voor astronomen een metaal is, voorzien; een met lichtere metaaleigenschappen en een zwaarder model.’ ‘CNO neutrino’s worden uitgezonden in een cyclische fusie reactie keten die verschilt van de pp keten en subdominant aanwezig in de zon, maar waarvan aangenomen wordt dat het de hoofdenergiebron is voor zwaardere sterren. De CNO solaire neutrino flux wordt  stevig beïnvloed door de metaaleigenschappen van de zon. Onze data toont een geringe voorkeur voor zwaardere metalen, dus daar duiken we in, in de hoop dat de CNO neutrino flux hier ons meer duidelijkheid over kan verschaffen.’ De Borexino detector is tot stand gekomen door het National Science Foundation (VS) en de Laboratori Nazionali del Gran Sasso (L’Aquila, Italië), alsmede door fondsen van Duitse, Russische en Poolse laboratoria. Bron; ScienceDaily / Nature

*The Borexino Collaboration. Comprehensive measurement of pp-chain solar neutrinos. Nature, 2018; DOI: 10.1038/s41586-018-0624-y

**Deuteron, kern van deuterium (zware waterstof) die uit één proton en één neutron bestaat. Deuteronen worden hoofdzakelijk gevormd door ioniserend deuterium (het enkele elektron weg te strippen van het atoom) en worden gebruikt als projectielen om nucleaire reacties te produceren na accumulatie van hoge energieën in deeltjesversnellers.

Mobiele versie afsluiten