Το πρόβλημα των ηλιακών νετρίνων και η δικαίωση του John Bahcall

Posted on 30/12/2017

0


O Τζον Μπακώλ (30 Δεκεμβρίου 1934 – 17 Αυγούστου 2005) γεννήθηκε και μεγάλωσε στην Λουιζιάνα. Στο Λύκειο υπήρξε πολύ καλός τενίστας και πρωταθλητής στους αγώνες επιχειρηματολογίας. Φιλοδοξία του ήταν να σπουδάσει φιλοσοφία και να γίνει ραβίνος. Ύστερα από έναν χρόνο στο Πανεπιστήμιο της Πολιτείας της Λουιζιάνας, παρακολούθησε θερινά μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Μπέρκλεϋ της Καλιφόρνιας. Εκεί του άρεσε πολύ κι έτσι παρέμεινε για προπτυχιακές σπουδές φιλοσοφίας, χάρη σε έναν συγγενή που δέχτηκε να καλύψει τα έξοδα των σπουδών του.

Για να αποφοιτήσει έπρεπε να παρακολουθήσει και ένα μάθημα θετικών επιστημών. Έπεισε όμως κάποιον καθηγητή να του επιτρέψει να παρακολουθήσει ένα μάθημα φυσικής, μολονότι ο ίδιος δεν είχε παρακολουθήσει ούτε ένα μάθημα θετικών επιστημών στο λύκειο. Τότε ήταν που ο Μπακώλ ανακάλυψε το πάθος του για την επιστήμη αυτή. Όπως θυμόταν αργότερα: «Ήταν το πιο δύσκολο πράγμα που έχω κάνει στη ζωή μου, όμως ερωτεύθηκα τις θετικές επιστήμες. Με είχε συναρπάσει το γεγονός ότι γνωρίζοντας λίγη φυσική μπορούσες να καταλάβεις πώς λειτουργούν χειροπιαστά πράγματα, όπως τα ηλιοβασιλέματα και τα αεροπλάνα, και ότι μετά από λίγο οι πάντες συμφωνούσαν ως προς τη σωστή απάντηση σε μια ερώτηση». Ο Μπακώλ άλλαξε προσανατολισμό στις σπουδές του, έκανε μεταπτυχιακά στη φυσική στο Πανεπιστήμιο του Σικάγου και διδακτορικό στο Χάρβαρντ.

Το 1960 όταν εργαζόταν ως ερευνητής στο Πανεπιστήμιο της Ιντιάνα, ο Μπακώλ έστειλε για δημοσίευση στο Physical Review ένα άρθρο για τις διεργασίες της διάσπασης βήτα στα άστρα. Προς μεγάλη του έκπληξη, προτού καν κυκλοφορήσει το περιοδικό, έλαβε μια επιστολή από τον Ουίλλυ Φάουλερ (από τον οποίο ο εκδότης του περιοδικού είχε ζητήσει να αξιολογήσει το άρθρο), που τη συνόδευε μια πρόταση να δουλέψει στο Καλτέκ. Ο Φάουλερ είχε εντυπωσιαστεί σε τέτοιο βαθμό από την εργασία του Μπακώλ, ώστε έγραψε στον Ρέυ Ντέιβις (που προσπαθούσε  να ανιχνεύσει τα νετρίνα που εκπέμπονται από τον ήλιο) για τον νεαρό επιστήμονα, προτρέποντάς τον να επικοινωνήσει μαζί του. Έτσι λοιπόν, ο Ντέιβις έγραψε στον Μπακώλ και του ζήτησε να τον βοηθήσει να βελτιώσει τις προβλέψεις του για την ηλιακή παραγωγή νετρίνων, υπολογίζοντας τους ρυθμούς των σχετικών πυρηνικών διεργασιών. Ο Μπακώλ προθυμοποιήθηκε να το κάνει με μεγάλη ευχαρίστηση κι έτσι άρχισε μια στενή επιστημονική συνεργασία και μια προσωπική φιλία που κράτησε πάνω από πέντε δεκαετίες.

Στις αρχές του 1964, ο Μπακώλ και ο Νέιβις δημοσίευσαν διαδοχικές περιγραφές της θεωρίας και του πειράματός τους, υποστηρίζοντας την ανάγκη για την κατασκευή μιας δεξαμενής με 380.000 λίτρα υγρό καθαρισμού για να συλλάβουν ηλιακά νετρίνα. Κι αυτό έγινε στο χρυσορυχείο Χόμστεικ στη Νότια Ντακότα.

To θεωρητικό μοντέλο του Μπακώλ χρησιμοποιούσε τις βασικές αστροφυσικές αρχές όσον αφορά την δομή και την δυναμική συμπεριφορά του ήλιου, σε συνδυασμό με τα δεδομένα από την πυρηνική φυσική  σχετικά με τις πυρηνικές αντιδράσεις που πραγματοποιούνται στο εσωτερικό του ήλιου, και υπολόγιζε την παραγωγή των νετρίνων υψηλής ενέργειας που παράγονταν στο ήλιο και στη συνέχεια τον ρυθμό με τον οποίο θα μπορούσαν να ανιχνευτούν στον ανιχνευτή του Χόμστεικ.

Ray Davis και John Bahcall, στο ορυχείο το 1964

Το φθινόπωρο του 1966 όλα ήταν έτοιμα για να αρχίζει το πείραμα. Εν τω μεταξύ, ο Μπακώλ είχε συνεχίσει να βελτιώνει τους υπολογισμούς του για τον ρυθμό αντιδράσεων των ηλιακών νετρίνων που θα έπρεπε να ανιχνεύσει ο Ντέιβις με τον ανιχνευτή του.

Η ανίχνευση των ηλιακών νετρίνων βασίζονταν στην αντίδραση: ν + 37Cl → 37Ar + e

Tα σπάνια άτομα του αερίου 37Ar είναι ασταθή και έχουν χρόνο ημιζωής περίπου 35 ημέρες. Με μια κοπιώδη διαδικασία ο Ντέιβις αφού περίμενε αρκετές εβδομάδες ώστε να δημιουργηθούν άτομα αργού, άδειαζε την δεξαμενή χρησιμοποιώντας αέριο ήλιο το οποίο θα παρέσερνε το αργό και μετά από πολλά σύνθετα στάδια έπαιρνε το τελικό δείγμα ατόμων αργού. Ο όγκος τους ήταν ίσος με έναν μικρό κύβο ζάχαρης, και μετρώντας την αποδιέγερσή τους με έναν απαριθμητή Γκάιγκερ, υπολόγιζε τον αριθμό των νετρίνων υψηλής ενέργειας που προέρχονταν από τον ήλιο.

Σύμφωνα με τις βέλτιστες εκτιμήσεις του Μπακώλ, τα νετρίνα που αλληλεπιδρούσαν με το χλώριο θα έπρεπε να παραγάγουν λίγες δεκάδες άτομα αργού κάθε λίγες εβδομάδες. Ο Ντέιβις ήταν βέβαιος ότι θα μπορούσε να τα ανιχνεύσει σχεδόν όλα. Ο ίδιος ο Μπακώλ έγραψε: «Εγώ, που δεν είμαι χημικός, νιώθω δέος μπροστά στο μέγεθος του εγχειρήματος [του Ντέιβις] και στην ακρίβεια με την οποία μπορεί να το φέρει σε πέρας. Μπορεί να εντοπίσει και να αφαιρέσει από τη δεξαμενή τις λίγες δεκάδες άτομα ραδιενεργού αργού που ενδέχεται να δημιουργηθούν στο εσωτερικό της από τη σύλληψη ηλιακών νετρίνων. Η αναζήτηση βελόνας στ’ άχυρα μοιάζει πανεύκολη μπροστά σ’ αυτό». Μετά από δυο χρόνια συλλογής δεδομένων στο ορυχείο Χόμστεϊκ, ο Ντέιβις ανακοίνωσε τα πρώτα αποτελέσματα του πειράματός του σε ένα συνέδριο στο Καλτέκ, το 1968. Υποστήριξε ότι είχε ανιχνεύσει ηλιακά νετρίνα, αλλά ο αριθμός τους ήταν μόνο το ένα τρίτο σε σχέση με την πρόβλεψη των μοντέλων του Μπακώλ. Η ανίχνευση των ηλιακών νετρίνων από μόνη της, η ματιά στην καρδιά ενός άστρου για πρώτη φορά, ήταν ένα εντυπωσιακό κατόρθωμα – παρόλα αυτά, εκείνο που έγινε πρωτοσέλιδο ήταν η μεγάλη διαφορά μεταξύ θεωρίας και παρατήρησης.

Ο Μπακώλ φοβόταν ότι τα αποτελέσματα του Ντέιβις σήμαιναν ότι το ηλιακό του μοντέλο ήταν εσφαλμένο. Ο νεαρός θεωρητικός ήταν τόσο σκυθρωπός στο συνέδριο το Καλτέκ ώστε ο θρύλος της φυσικής Ρίτσαρντ Φάυνμαν, ο οποίος τρία χρόνια νωρίτερα είχε μοιραστεί μαζί με δυο συναδέλφους του το βραβείο Νόμπελ για την εργασία του στην κβαντική ηλεκτροδυναμική, τον ρώτησε αν ήθελε να πάνε μια βόλτα. Οι δυο τους περπατούσαν στην πανεπιστημιούπολη κουβεντιάζοντας περί ανέμων και υδάτων, όταν κάποια στιγμή, όπως θυμάται ο Μπακώλ, ο Φάυνμαν προσπάθησε να τον παρηγορήσει: «Κοίτα, είδα ότι μετά την ομιλία ήσουν πολύ στεναχωρημένος και θέλω μόνο να σου πω ότι κατά τη γνώμη μου δεν υπάρχει κανένας λόγος να είσαι. Ακούσαμε όλοι όσα έκανες και δεν διαπίστωσε κανένας κάποιο λάθος στους υπολογισμούς σου. Δεν γνωρίζω γιατί το αποτέλεσμα του Ντέιβις δεν συμφωνεί με αυτούς, αλλά δεν πρέπει να αποθαρρύνεσαι επειδή – ποιος ξέρει; – ίσως να έχετε καταφέρει μαζί κάτι πολύ σημαντικό».

Κατά την διάρκεια των ετών από το 1968 μέχρι το 1983 το πείραμα του Ντέιβις μέτρησε 2,1±0,3 SNU (Solar Neutrino Unit) , κάτι που είναι ισοδύναμο με την παραγωγή ενός ατόμου 37Ar στην δεξαμενή χλωρίου κάθε τρεις ημέρες.  Όμως, ο ρυθμός διέφερε κατά έναν παράγοντα 3 σε σχέση με τον ρυθμό που υπολόγιζε ο Μπακώλ θεωρητικά, 5,8±2,2 SNU. Αυτή η διαφορά έμεινε στην ιστορία ως το πρόβλημα των ηλιακών νετρίνων.

Αρχικά οι επιστήμονες κατηγόρησαν τους πειραματικούς φυσικούς (πάντοτε αποτελούν τον πιο εύκολο αποδιοπομπαίο τράγο σε τέτοιες περιπτώσεις). Όμως ο Ρέι Ντέιβις ήταν βέβαιος για το πείραμά του. Γνώριζε πως αν είχε κάνει κάποιο λάθος και δεν είχε θωρακίσει κατάλληλα τη διάταξή του από την περιβάλλουσα ακτινοβολία, θα παρατηρούσε περισσότερα γεγονότα και όχι λιγότερα. Στη συνέχεια έριξαν το φταίξιμο στον θεωρητικό φυσικό. Οι φυσικοί βάλθηκαν να γελοιοποιήσουν τον Τζον Μπακώλ. Σε ένα συνέδριο, ο ομιλητής που συνόψισε τα αποτελέσματα έκανε πλάκα με το μοντέλο του Μπακώλ χρησιμοποιώντας ως γραφήματα χιουμοριστικές καρικατούρες. Όπως θυμάται ο Μπακώλ, «κατάφερε να κάνει όλο το ακροατήριο, μαζί κι εμένα, να γελάμε με το θράσος αυτού του τύπου που ισχυριζόταν ότι μπορούσε να βγάλει συμπεράσματα για τη σωματιδιακή φυσική με βάση αυτόν το περίπλοκο ήλιο».

Αργότερα, το 1989, το αναβαθμισμένο πείραμα ανίχνευσης ηλιακών νετρίνων Kamiokande στην Ιαπωνία, όταν ανακοίνωσε τα αποτελέσματά του, αυτά συμφωνούσαν με τα ευρήματα του Ντέιβις: τα νετρίνα που ανίχνευε ήταν το 1/3 από αυτά που προέβλεπε το θεωρητικό μοντέλο του Μπακώλ.

Νετρίνα: τα σωματίδια – χαμαιλέοντες

Αυτή η εξοργιστική ασυμφωνία πειραμάτων – θεωρίας συνεχιζόταν μέχρι που τελικά επιβεβαιώθηκε η πρόταση που πρώτος διατύπωσε ο Μπρούνο Ποντεκόρβο (ένα από τα παιδιά της οδού Πανισπέρνα), ότι τα νετρίνα πάσχουν από διαταραχή πολλαπλής προσωπικότητας. Αποδείχθηκε ότι, εκτός του ότι τα νετρίνα διαθέτουν μάζα – αυτό δεν προβλέπεται από το Καθιερωμένο Πρότυπο – τα νετρίνα του ηλεκτρονίου στα 8 λεπτά της διαδρομής τους από τον ήλιο στη γη αλλάζουν ταυτότητα, με αποτέλεσμα να φτάνει στους γήινους ανιχνευτές μόνο το 1/3 των νετρίνων του ηλεκτρονίου που παράγονται στον ήλιο, όπως ακριβώς προέβλεπε πολλά χρόνια πριν ο θεωρητικός φυσικός Τζον Μπακώλ [διαβάστε σχετικά: Η αποκάλυψη των ταλαντώσεων των νετρίνων – Νόμπελ Φυσικής 2015].

πηγή: «ΚΥΝΗΓΟΙ ΝΕΤΡΙΝΩΝ», ΡΕΫ ΤΖΑΓΙΑΟΥΟΡΝΤΑΝΑ, ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΕΣ ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΚΡΗΤΗΣ

Ετικέτα: