Γιατί οι γεωφυσικοί ενδιαφέρονται για τα νετρίνα;

Posted on 14/12/2020

0


Τα νετρίνα παίζουν σπουδαίο ρόλο στην σωματιδιακή φυσική. Το γεγονός ότι διαθέτουν μικρή μεν, αλλά όχι αμελητέα μάζα, αποτελεί την μοναδική αναμφισβήτητη ανακάλυψη που δείχνει ότι υπάρχει άγνωστη φυσική πέραν του Καθιερωμένου Πρότυπου των στοιχειωδών σωματιδίων (σύμφωνα με το οποίο τα νετρίνα έχουν μηδενική μάζα).

Επιπλέον, τα νετρίνα είναι σημαντικά και στην Κοσμολογία. Η μελέτη τους μας βοηθά να κατανοήσουμε την κυριαρχία της ύλης αντί της αντιύλης στο σύμπαν, αλλά και την δημιουργία των κοσμικών δομών μεγάλης κλίμακας. Μάλιστα, ένα από τα καλύτερα όρια για την μάζα των νετρίνων προκύπτει από την κατανομή των γαλαξιών στο σύμπαν και από τα δεδομένα της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου, το υπόλειμμα ακτινοβολίας από την Μεγάλη Έκρηξη. Μαζί με αυτά τα αρχέγονα φωτόνια που γεμίζουν το σημερινό σύμπαν, κυκλοφορούν γύρω μας και αρχέγονα νετρίνα – αυτά που περίσσεψαν από την θερμή σούπα των σωματιδίων της Μεγάλης Έκρηξης. Η σημερινή τους πυκνότητα είναι περίπου 150 νετρίνα ανά κυβικό εκατοστό(!), αλλά η ενέργειά τους είναι πλέον εξαιρετικά μικρή και γι αυτό δεν τα έχουμε ανιχνεύσει ακόμα.

Από την πλευρά των αστροφυσικών τα νετρίνα είναι σημαντικά γιατί τα χαρακτηριστικά τους καθορίζουν τους κύκλους της ζωής των άστρων και την παραγωγή των βαρέων στοιχείων διαμέσου των θεαματικών εκρήξεων των σουπερνόβα.

Εννοείται πως τα νετρίνα βασανίζουν και τους πυρηνικούς φυσικούς που ασχολούνται με τα εργοστάσια πυρηνικής ενέργειας και τις πυρηνικές βόμβες, που παράγουν τεράστιο αριθμό νετρίνων.

Όμως, οι γεωφυσικοί γιατί να ενδιαφέρονται για τα νετρίνα;

Η Γη εκπέμπει νετρίνα

Οι γεωφυσικοί ελπίζουν πως διαμέσου των νετρίνων θα απαντήσουν ένα ερώτημα που τους απασχολεί εδώ και πολλά χρόνια. Το ερώτημα αυτό αφορά την πηγή της εσωτερικής θερμότητας της Γης, και σχετίζεται με μια μεγάλη διαμάχη ανάμεσα στον Κάρολο Δαρβίνο και τον λόρδο Κέλβιν, για την ηλικία της Γης. (Για την ιστορία η εκτίμηση της ηλικίας της Γης που έκανε ο Δαρβίνος ήταν στη σωστή κατεύθυνση. Αντίθετα αυτή που πρότεινε ο λόρδος Κέλβιν, υποθέτοντας ότι η Γη είχε ψυχθεί σταδιακά ύστερα από μια αρχική κατάσταση τήξης, ήταν υπερβολικά σύντομη για να είναι δυνατή η βιολογική εξέλιξη. Βέβαια, εκείνη την εποχή οι επιστήμονες -και ο Κέλβιν- αγνοούσαν την ραδιενέργεια που αποτελεί μια συνεχή πηγή θερμότητας στο εσωτερικό της Γης).

Η ηλικία της Γης και του ηλιακού συστήματος προσδιορίζεται πλέον με την ραδιοχρονολόγηση αρχέγονων πετρωμάτων και μετεωριτών. Υπολογίζεται περίπου 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια. Παρόλα αυτά, εξακολουθεί να υπάρχει αβεβαιότητα μεταξύ των γεωφυσικών σχετικά με το ποσοστό της γήινης θερμότητας που προέρχεται από την πυρηνική σχάση ραδιενεργών στοιχείων και εκείνο που είναι κατάλοιπο από την θυελλώδη γέννησή της. Οι επιστήμονες θεωρούν ότι το μεγαλύτερο ποσοστό της ενεργειακής παραγωγής του πλανήτη μας οφείλεται στην διάσπαση των πυρήνων του ουρανίου και θορίου, αλλά δεν είναι βέβαιοι ούτε για το πόσο άφθονα είναι αυτά τα στοιχεία ούτε για την κατανομή τους στο εσωτερικό της Γης. Μπορεί να φαίνεται περίεργο, αλλά γνωρίζουμε την σύνθεση του Ήλιου πολύ καλύτερα απ’ ότι το εσωτερικό του πλανήτη μας.

Σήμερα χάρη στους σύγχρονους ευαίσθητους ανιχνευτές, οι επιστήμονες μπορούν να «ακτινογραφήσουν» το εσωτερικό της Γης παρατηρώντας τα αντινετρίνα που παράγονται κατά τη διάσπαση ραδιενεργών στοιχείων στο εσωτερικό της. Το 1953 ο κορυφαίος φυσικός George Gamow είχε υποδείξει την δυνατότητα ανίχνευσης νετρίνων γήινης προέλευσης. Το 1983 οι Lawrence M. Krauss, Sheldon L. Glashow και David N. Schramm στην εργασία τους με τίτλο «Anti-neutrinos Astronomy and Geophysics» υπολόγισαν πόσα νετρίνα πρέπει να εκπέμπονται από την Γη ανά δευτερόλεπτο. Με έκπληξη διαπίστωσαν ότι ο αριθμός τους ήταν εξίσου μεγάλος με την ροή των νετρίνων που φτάνουν στην Γη και παράγονται στο εσωτερικό του Ήλιου. Απέδειξαν επίσης ότι τα αντινετρίνα θα μπορούσαν να μας επέτρεπαν να «δούμε» βαθιά στο εσωτερικό της Γης και να κατανοήσουμε την σύνθεσή της. Τα επονομαζόμενα γεω-νετρίνα θα μας αποκάλυπταν πόσο ουράνιο και θόριο υπάρχει στον φλοιό και τον μανδύα της Γης.

Το υπόβαθρο ενός ανιχνευτή νετρίνων

Από τότε πέρασαν αρκετά χρόνια μέχρι το 2005, όταν ο ανιχνευτής νετρίνων ΚamLand (Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector) κατέγραψε για πρώτη φορά 25 γεωνετρίνα.

Η έρευνα σχετικά με την ανίχνευση γεωνετρίνων συνεχίστηκε και συνεχίζεται μέχρι σήμερα.

Ένα μεγάλο πρόβλημα των ανιχνευτών νετρίνων σαν τον ΚamLand, είναι τα γεγονότα υποβάθρου. Οι ανιχνευτές αυτοί πρέπει να είναι πολύ μεγάλοι ώστε να ενισχύονται τα ασθενή σήματα. Ο ΚamLand είναι γεμάτος με 1000 τόνους σπινθηριστή από υδρογονάνθρακες που αλληλεπιδρά με τα νετρίνα εκπέμποντας φως, το οποίο συλλέγεται ως η απόδειξη της αλληλεπίδρασης νετρίνων. Το αντινετρίνο αλληλεπιδρά με πυρήνα υδρογόνου (πρωτόνιο), δίνοντας νετρόνιο και ποζιτρόνιο \bar{\nu} + p \rightarrow e^{+}+n, ενώ στη συνέχεια η εξαϋλωση του ποζιτρονίου παράγει φωτόνια.

Όμως, οι υδρογονάνθρακες του ανιχνευτή περιέχουν και άνθρακα. Το 98,8% του άνθρακα είναι το ισότοπο 12C και το 1,1% το ισότοπο 13C. Στο ισότοπο 13C και τα προϊόντα διάσπασης του αερίου ραδονίου οφείλεται ένας μεγάλος αριθμός γεγονότων υποβάθρου που καταγράφει ο ανιχνευτής.

Όταν διασπάται το ραδόνιο, που αναπόφευκτα περιέχεται στον ανιχνευτή, παράγονται σωματίδια άλφα (πυρήνες 4He) τα οποία αλληλεπιδρώντας με τον άνθρακα-13 παράγουν νετρόνια:

13C + 4He → n + 16O

Στη συνέχεια η διάσπαση του νετρονίου n \rightarrow p + e^{-} + \bar{\nu} , προκαλεί τον σχηματισμό των αντινετρίνων που αποτελούν την βασική πηγή υποβάθρου. Για να απαλειφθούν αυτά τα γεγονότα υποβάθρου πρέπει να είναι γνωστός ο ρυθμός με τον οποίο πραγματοποιούνται στο εσωτερικό του ανιχνευτή οι πυρηνικές αντιδράσεις των σωματιδίων άλφα με τον άνθρακα-13. Κι αυτό απαιτεί την ακριβή γνώση της ενεργού διατομής της πυρηνικής αντίδρασης 13C(α,n)16O.

Κι εδώ έρχονται οι ερευνητές M. Febbraro et al με την πρόσφατη δημοσίευσή τους με τίτλο «New 13C(α,n)16O Cross Section with Implications for Neutrino Mixing and Geoneutrino Measurements» , στην οποία επανεκτιμούν την ενεργό διατομή της κρίσιμης αυτής πυρηνικής αντίδρασης.

Σύμφωνα με τις νέες μετρήσεις το υπόβαθρο που οφείλεται στην πυρηνική αντίδραση 13C(α,n)16O είναι αρκετά μικρότερο. Από τις παλαιότερες μετρήσεις επισημαίνουμε τις Χαρισσόπουλος et al και Giorginis et al.

Ο νέος ρυθμός παραγωγής νετρονίων διαμέσου της 13C(α,n)16O που υπολόγισαν οι Febbraro et al μπορεί τώρα να χρησιμοποιηθεί από τους φυσικούς του ανιχνευτή KamLAND (και άλλων σχετικών πειραμάτων), για να αφαιρεθεί το υπόβαθρο με καλύτερη ακρίβεια. Έτσι θα επανεκτιμηθεί η ροή των γεω-νετρίνων και οι ποσότητες ουρανίου και θορίου που περιέχονται στο εσωτερικό της Γης. Κι αυτό ενδιαφέρει άμεσα τους γεωφυσικούς.

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες ΕΔΩ: «Righting a wrong, nuclear physicists improve precision of neutrino studies«

διαβάστε πολύ περισσότερα για τα νετρίνα στο βιβλίο του Ρέυ Τζαγιαουόρντανα, «Κυνηγοί Νετρίνων», Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Απόδοση στα ελληνικά Παναγιώτης Δρεπανιώτης, Επίμετρο στην ελληνική έκδοση Σταύρος Κατσανέβας (CNRS)