6497089007

Chlor

Energia neutrin (MeV)

Rys. 2. Rozkład energii neutrin słonecznych, emitowanych w trzech przemianach jądrowych (wymienionych w tabeli 2). W górnej części zaznaczono granice czułości detektorów z galem, chlorem i wodą

teorię reakcji termojądrowych mogących zachodzić w Słońcu (Nagroda Nobla, 1967).

Źródłem energii emitowanej przez Słońce jest przemiana wodoru w hel. Główny jest tu cykl proton—proton, niewielką rolę odgrywa też cykl wę-glowoazotowy. Dla obu cykli bilans końcowy jest ten sam: z czterech jąder wodoru powstaje jądro helu, ulegają anihilacji dwa pozytony i ulatują dwa neutrina elektronowe

4 *H —> ⁴He + 2e⁺ + 2v_e. (1)

Najistotniejszy jest fakt, że z przemianą tą wiąże się ubytek masy. Masa jądra helu jest mniejsza od sumy mas składników, z którego ono powstało. I w tym tkwi właśnie cała tajemnica źródła energii: Słońce świeci na koszt swej masy. Wyemitowana energia jest równoważna temu ubytkowi masy (w myśl wzoru Einsteina E = mc²).

Obliczmy, ile tych neutrin ulatuje ze Słońca w ciągu każdej sekundy. Rachunek jest bardzo prosty.

Masa jądra helu jest mniejsza od masy czterech jąder wodoru o 4,8 x 10 ²⁹ kg. Odpowiada temu energia 4,3 x 10'¹² dżuli.

Z taką więc porcyjką wyprodukowanej przez Słońce energii wiąże się emisja dwóch neutrin — a zatem z jednym neutrinem: 2,15 x ]0“¹² dżuli. Skoro zaś nasza gwiazda emituje 3,8 x 10²⁶ dżuli na sekundę, to z podzielenia wynika natychmiast, że w ciągu każdej sekundy wylatuje ze Słońca około 2 ^x 10³⁸ neutrin. Po ośmiu minutach przecinają one powierzchnię kuli o promieniu jednej jednostki astronomicznej (3 x 10²⁷ cm²). Przez każdy centymetr kwadratowy tej kuli — a więc np. przez nasze oko — przelatuje w ciągu każdej sekundy około 6 ^x 10*° neutrin!

Jest to wartość olbrzymia. Rozpatrując możliwości detekcji tych cząstek, należy znać ich energię¹. Zależy to od przemiany jądrowej, w trakcie której te neutrina powstawały. Dane dla głównych reakcji cyklu proton-proton podane są w tab. 2 oraz na rys. 2. Są to wartości teoretyczne, oparte na Standardowym Modelu Słońca.

Gal

E

o

N

>N

E

e

tń

1 ll

Jak widać, zdecydowanie najwięcej neutrin powstaje przy syntezie deu-teru (przemiana pp), ale ich energie są najniższe. Najbardziej wysokoenergetyczne pojawiają się natomiast w trakcie rozpadu boru 8; ta przemiana dostarcza ich jednak najmniej. W obu tych przypadkach widmo energii jest widmem ciągłym. Coś odmiennego przedstawia natomiast przemiana berylu 7; jest to wychwyt elektronu z orbity okołojądrowej, co pociąga za sobą emisję neutrin o dwóch ściśle określonych wartościach energii. Jest tu zatem widmo liniowe (rys. 2).

3. „Polowanie” na neutrina

U podstaw działania detektora neutrin leży oddziaływanie tych cząstek z materią — a stanowi to oczywiście nie lada problem, gdyż „nie przejawiają one nadmiernego entuzjazmu w tym kierunku”. Cząstki te ignorują bowiem oddziaływanie silne oraz elektromagnetyczne, zaś grawitacyjne ma tu małe znaczenie. W grę wchodzą więc w zasadzie tylko oddziaływania słabe, których głównym przykładem jest wspominany już rozpad beta. (Zresztą, sama idea istnienia neutrin narodziła się przecież na tym właśnie gruncie).

W zależności od metody wykrywania, funkcjonujące detektory neutrin

Woda można podzielić na dwie grupy. W pierwszej stosuje się metody radiochemiczne, w drugiej (nazywanej też „aktywną”) tym głównym zjawiskiem fizycznym jest promieniowanie Cze-renkowa.

a) Metoda radiochemiczna

Podstawową reakcją jest tu odwrotna przemiana beta: pod działaniem neutrina elektronowego neutron (n) przechodzi w proton (p) i wyzwala się elektron

v_e + n —> p + e".    (2)

Drobny komentarz. Neutron swobodny jest cząstką nietrwałą, ulega on procesowi rozpadu beta (na proton, elektron i antyneutrino elektronowe); średni czas jego życia „na wolności” wynosi 15 minut. Ale neutrony związane — tj. wchodzące w skład jąder atomowych — są trwałe, nie rozpadają się. Przemiana (2) dotyczy neutronów związanych. Pod działaniem neutrina jeden z neutronów jądra przechodzi w proton, powstaje więc jądro o wyższej liczbie protonów — czyli inny, kolejny pierwiastek z układu okresowego. Oczywiście liczba masowa, tj. suma neutronów i protonów, pozostaje w tym jądrze niezmieniona.

Dwa przykłady takich właśnie odwrotnych przemian beta, wykorzystywanych dotychczas w detektorach:

54 URANIA - Posupy astronomii 2/2003

1

Nasuwa się tu analogia do fal elektromagnetycznych. Energia kwantów świetlnych różni się np. od rentgenowskich — stąd inna jest technika ich obserwacji.