Mysterieuze deeltjes schieten door de aarde Licht werpen op de zon

Miljarden etherische deeltjes die bekend staan ​​als neutrino's stromen door elke seconde van de zon. De laatste tijd hebben wetenschappers zich gerealiseerd dat deze mysterieuze entiteiten weliswaar massa hebben, zij het een kleine hoeveelheid, ondanks eerdere voorspellingen dat ze er geen hadden.

Nu, een gigantisch wetenschappelijk experiment onder de bergen in Italië, analyseert neutrino's van de zon met ongekende details, die op een dag kunnen helpen de raadsels van neutrino's op te lossen, evenals licht werpen op de innerlijke werking van sterren.

Neutrino's worden gegenereerd door kernreacties en bepaalde vormen van radioactief verval. Ze worden in grote aantallen in de kernoven van de zon gemaakt en stromen door het aardoppervlak in aantallen van wel 420 miljard per vierkante inch (65 miljard per vierkante centimeter) per seconde. Ze hebben echter een neutrale elektrische lading en hebben bijna nooit interactie met andere deeltjes, wat betekent dat ze vrijwel onaangetast door gewone materie stromen en maar zelden in atomen kloppen.

De nieuwe bevindingen komen van het Borexino-experiment begraven onder de Apennijnen bij het nationale laboratorium Gran Sasso in Italië, een van de gevoeligste neutrino-detectoren ter wereld.

Een ander experiment bij Gran Sasso, OPERA genaamd, bestudeert ook neutrino's, maar kijkt naar deeltjes die in een laboratorium in Zwitserland zijn gemaakt, in plaats van naar deeltjes afkomstig van de zon. Het wetenschapsteam van OPERA kwam onlangs in het nieuws toen het bevindingen aankondigde die suggereren dat neutrino's mogelijk sneller reizen dan de snelheid van het licht, waarvan werd gedacht dat dit de ultieme kosmische snelheidslimiet was. [Top 10 implicaties van sneller-dan-licht-neutrino's]

Verborgen massa

Wetenschappers hadden de eigenschappen van bijna alle subatomaire deeltjes die deel uitmaken van ons universum nauwkeurig voorspeld met een theorie die lang suggereerde dat neutrino's massaloos waren.

Begin jaren negentig ontdekten onderzoekers echter dat neutrino's eigenlijk massa hadden, zij het een verdwijnende kleine hoeveelheid. Het blijft een raadsel waarom neutrino's zo schuchter kleiner zijn dan elk ander bekend deeltje - ze zijn ongeveer 500.000 keer kleiner dan het elektron - een die verwijst naar nieuwe wetenschap en mogelijk een dierentuin van nog onbekende deeltjes om te ontdekken.

Het Borexino-experimentinstrument gebruikt 2.200 sensoren om neutrino's te detecteren in de buitengewoon zeldzame gevallen waarin ze interageren met ongeveer 300 ton van een speciale organische vloeistof. Dit alles is gehuisvest in het midden van een grote bol omringd door ongeveer 2.000 ton zuiver water.

"We overschrijden de ontwerpgevoeligheid van de detector, die aanvankelijk bijna onmogelijk leek te zijn", vertelde onderzoeker Andrea Pocar, een fysicus aan de Universiteit van Massachusetts, Amherst, aan ProfoundSpace.org in een e-mail. "De belangrijkste reden voor de gevoeligheid van Borexino is zijn ongekende radiologische zuiverheid - dat wil zeggen, ultra-laag niveau van verontreiniging door sporenradioactiviteit." Het centrale scintillatordoel van 300 ton heeft een gehalte aan uranium-238 en thorium-232 dat honderden miljarden keer bestaat lager dan in 'gewoon' stof - typerende concentraties zijn ongeveer 1 gewichtsdeel per miljoen in gewone materialen en bodems. "

In totaal behoudt de zuiverheid van deze organische vloeistof, langs de beschermende laag water en de bergen erboven, zijn kern als de meest vrij van sporen straling op de planeet. Dit helpt ervoor te zorgen dat bijna alles wat het detecteert, in feite een neutrino is.

Rechtstreeks uit de zon

Hoewel Borexino neutrino's kan detecteren uit bronnen op aarde, zoals kernreactoren, richt het internationale team van bijna 100 natuurkundigen, ingenieurs en technici uit Italië, de Verenigde Staten, Duitsland, Rusland en Frankrijk bij Borexino zich voornamelijk op neutrino's uit de zon.

"Borexino is de enige detector die in staat is om het volledige spectrum van zonne-neutrino's tegelijk te observeren," zei onderzoeker Laura Cadonati, een fysicus aan de Universiteit van Massachusetts, Amherst.

De zonne-neutrino's die Borexino detecteert, omvatten die van het radioactieve verval van beryllium-7 (7Be) -atomen. Er wordt voorspeld dat deze neutrino's ongeveer 10 procent uitmaken van de massa die uit de zon stroomt. Deze deeltjes met lage energie lagen onder de waarneembare drempelwaarde van eerdere detectoren.

Borexino onderzocht ook het vreemde fenomeen van neutrino-oscillatie, dat ten grondslag ligt aan hun massa. Neutrino's zijn er in drie soorten, of "smaken" - elektron, muon en tau. Terwijl ze door de ruimte glijden, veranderen neutrino's van de ene smaak in de andere en 'oscilleert', en hun massa ontstaat uit deze transformaties.

Smaken veranderen

Eerdere instrumenten in Canada en Japan, ontworpen om neutrino's met hogere energie te detecteren, hadden al bewijs gevonden van hun smaaktrillingen, waarbij 1 tienduizendste deel van de neutrino's die door de aarde stromen en hun oscillaties werden onderzocht. De nieuwe gegevens van Borexino over neutrino's met lagere energie ondersteunen nu dat zonne-neutrino-oscillaties energieafhankelijk zijn - energie-arme zonne-neutrino's met een lagere energie hebben meer kans op een elektronensmaak dan sterkere energieën.

"De gegevens bevestigen de neutrino-oscillaties, smaakveranderingen en stroming voorspeld door modellen van de zon en deeltjesfysica," zei Cadonati.

De onderzoekers vonden ook geen verschil in de stroom van 7Be-neutrino's tussen dag en nacht. Sommige wetenschappers hadden gesuggereerd dat er een verschil zou kunnen bestaan ​​omdat 's nachts de bulk van de aarde tussen de zon en Borexino komt.

"De doorgang door de aarde lijkt de smaak van neutrino's niet te veranderen," zei Pocar.

Al met al helpen deze bevindingen meer exotische verklaringen voor neutrino-oscillatie uit te sluiten dan nu het geval is.Deze omvatten modellen waarin neutrino's kunnen vervallen tot nog niet ontdekte deeltjes, nieuwe manieren voor neutrino's om te interageren met reguliere materie en oscillaties in zogenaamde steriele neutrino's die interageren met reguliere materie zelfs minder dan gewone neutrino's, zei Pocar.

Sterren zoeken

In de toekomst hopen de wetenschappers de oorsprong van elk type neutrino afkomstig van de zon te identificeren. Dit kan helpen de relatieve niveaus van koolstof, stikstof en zuurstof daar te bepalen, ons inzicht in hoe de zon is geëvolueerd en hoe zijn werking zich verhoudt tot die van grotere sterren, te verdiepen.

"De koolstof-stikstof-zuurstof-fusiecyclus wordt verondersteld de dominante te zijn in zwaardere sterren, en gedetailleerd begrip van hoe het in de zon werkt, zou van invloed zijn op de manier waarop we alle andere sterren kwantitatief begrijpen," zei Pocar.

Neutrinodetectoren zijn de enige manier waarop wetenschappers de zon direct kunnen belichten, omdat alleen neutrino's kunnen ontsnappen, in essentie ongestoord uit de dichte zonnekern, zei Pocar.

"Borexino gebruikt neutrino's om het binnenste van de zon te verkennen, op zoek naar nieuwe, opwindende aanwijzingen voor de mysteries van het universum die we niet kunnen zien," zei Cadonati.

De hoop is nog steeds dat Borexino een nieuw soort neutrino uit de zon zou kunnen detecteren, een die zou kunnen helpen licht werpen op het mysterie van deze deeltjes.

"Je hebt altijd de hoop om verrassingen te zien, een kleine afwijking van de verwachtingen," zei Pocar. "Het model voor zonne-neutrino-oscillaties zal nog strenger worden getest in de hoop kleine maar overtuigende afwijkingen van verwachtingen te vinden, die het teken voor nieuwe fundamentele fysica zouden kunnen onthullen."

De wetenschappers hebben deze bevindingen online op 30 september in het tijdschrift Physical Review Letters beschreven.