Το πρόβλημα των ηλιακών νετρίνων.

Από το 1965 ξεκίνησε ένα πείραμα (Davis et al) ( 1 ) για την μέτρηση της ροής των νετρίνων που προέρχονται από τον ήλιο. Τα νετρίνα αυτά παράγονται από τις πυρηνικές διασπάσεις που συμβαίνουν στο κέντρο του ηλίου. Τα νετρίνα αυτά προέρχονται από διασπάσεις β και είναι ηλεκτρονικού είδους. Αρχικός σκοπός ήταν να γίνει μια άμεση μέτρηση των πυρηνικών αντιδράσεων που γίνονται στον ήλιο και ο έλεγχος του ηλιακού μοντέλου. Ο ανιχνευτής αποτελούνταν από ένα μεγάλο ντεπόζιτο που ήταν γεμάτο με τετραχλωροαιθάνιο και χρησιμοποιούσε την αντίδραση ³⁷Cl + ν ® ³⁷Ar +e^-. Σε τακτικά χρονικά διαστήματα ελέγχονταν η παρουσία των ατόμων του Αργού στο υγρό. Η πιθανότητα να γίνει μία αντίδραση με ηλιακό νετρίνο είναι πολύ μικρή και έτσι χρειάσθηκαν αρκετά χρόνια για να αποκτήσουν τα απoτελέσματα στατιστικό βάρος. Από τα πρώτα αποτελέσματα ήταν σαφές ότι η καταμετρούμενη ροή νετρίνων ήταν μικρότερη από την αναμενόμενη. Στα χρόνια που ακολούθησαν βελτιώθηκε η απόδοση του ανιχνευτή και σταθεροποιήθηκαν οι θεωρίες για τις πυρηνικές αντιδράσεις στο εσωτερικό του ηλίου. Παρ΄όλα αυτά η ροή που μετρούσε το πείραμα, ήταν περίπου η μισή από αυτήν που προέβλεπε τον μοντέλο του ηλίου..

Νεώτερα πειράματα ( GALLEX, SAGE) χρησιμοποιώντας ανιχνευτές Γαλλίου (Ga), μέτρησαν τη ροή νετρίνων μικρότερης ενέργειας. Όλα τα αποτελέσματα είναι συμβατά με ροή μικρότερη από αυτήν που προβλέπει το τυπικό ηλιακό μοντέλο. Επίσης το πείραμα KAMIOKANDE χρησιμοποιόντας ανιχνευτή Cerenkov σε νερό μέτρησε την ροή νετρίνων με ενέργεια > 1 MeV. Αξίζει να σημειώσουμε ότι το πείραμα KAMIOKANDE είναι το πρώτο που έκαμε αξιόπιστο υπολογισμό της μάζας του ηλεκτρονικού νετρίνου. Στο σχήμα (3) βλέπουμε την συνεισφορά των διαφόρων αντιδράσεων στην παραγωγή νετρίνων και την περιοχή ενεργειών που είναι ευαίσθητοι οι ανιχνευτές με Χλώριο και Γάλλιο.

Από το 1980 και μετά έγινε γενικά αποδεκτό ότι τα νετρίνα έχουν μάζα διαφορετική από το μηδέν και ότι είναι δυνατόν να μετατρέπονται από το ένα είδος στο άλλο (π.χ. από ν_e σε ν_μ ). Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται ταλάντωση νετρίνων. Αν ένα πείραμα μπορεί να ανιχνεύσει μόνον το ν_e λόγω της ταλάντωσης θα εμφανίζεται έλλειμμα . Η ταλάντωση θα μπορούσε να εξηγήσει το πείραμα του Davies αλλά τα πειραματικά δεδομένα για την μάζα των νετρίνων και το ποσοστό ανάμειξης των διαφορετικών ειδών που περιγράφεται από την γωνία μείξης, δεν μπορούσαν να δικαιολογήσουν την διαφορά. Από τα μοντέλα που προτάθηκαν το σημαντικότερο ήταν το μοντέλο που προτάθηκε από τους Mikheyev – Smirnov ( 2), που στηρίχθηκε στις ιδέες του Wolfestein (MSW). Σύμφωνα με το μοντέλο αυτό η ταλάντωση των νετρίνων είναι διαφορετική στο εσωτερικό του ηλίου από το κενό διότι η αλληλεπίδραση των νετρίνων με το μεγάλης πυκνότητας ηλεκτρονικό νέφος στο εσωτερικό του ηλίου μεγιστοποιεί την γωνία μείξης και συνεπώς το ποσοστό των ηλεκτρονικών νετρίνων που μετατρέπονται σε μυονικά.

1. Davis et al 1968, Phys. Rev. Lett.20 1205
2. Mikheyev S.P. and Smirnov A.Yu. 1986 Sov. J. Nucl. Phys. 42 913
3. 

Σημείωση : Οι πυρηνικές αντιδράσεις που γίνονται στα άστρα χωρίζονται σε ομάδες ανάλογα με τα στοιχεία τα οποία συντήκονται. Το ποσοστό του κάθε κύκλου στην παραγωγή ενέργειας εξαρτάται από την μάζα και την ηλικία του άστρου. Πιο σωστά, από τη θέση του άστρου στο διάγραμμα Hertzsprung -Russell. Οι ομάδες αυτές για τον ήλιο είναι:

α) Η σύντηξη Υδρογόνου ή αλυσίδα ppI όπου τελικά σχηματίζεται ⁴H

β) Η κατάλυση Ηλίου ή κύκλοι ppII και ppIII, όπου το ³Η μεταρέπεται σε ⁴ Η.

γ) Ο κύκλος C N O (άνθρακας, άζωτο, οξυγόνο).

Οι αντιδράσεις που παράγουν νετρίνα ανήκουν σ΄ αυτές τις αλυσίδες.

Για περισσότερες πληροφορίες κοιτάξτε στο L.Valentin, Subatomic Physics, N.Holland, Vol I p.231 ή σε άλλο βιβλίο Πυρηνικής Φυσικής.

Το πείραμα SNO (Sandburry Neutrino Observatory)

Οι αντιδράσεις που χρησιμοποίησαν τα παραπάνω πειράματα για να ανιχνεύσουν τα νετρίνα ανήκουν στην κατηγορία των «φορτισμένων ρευμάτων» (CC) .

Στις αντιδράσεις αυτές εμφανίζεται το λεπτόνιο το οποίο αντιστοιχεί στο νετρίνο. Τα ηλιακά νετρίνα έχουν μέγιστη ενέργεια 10 MeV. Ας θεωρήσω ότι μερικά από αυτά έχουν μετατραπεί σε μιονικά νετρίνα, η ενέργεια τους θα είναι περίπου η ίδια Τα νετρίνα αυτής της ενέργειας δεν μπορούν να δημιουργήσουν μιόνια γιατί το μιόνιο έχει μάζα μερίπου 140 MeV και συνεπώς δεν μπορούμε να τα δούμε σε αντιδράσεις φορτισμένων ρευμάτων. Τα νετρίνα αυτά θα δώσουν μόνο αντιδράσεις «ουδετέρων ρευμάτων» (NC) δηλαδή αντιδράσεις στις οποίες δεν εμφανίζεται φορτισμένο λεπτόνιο.

Το πείραμα SNO χρησιμοποιεί για ανιχνευτή «βαρύ νερό» (D₂O) και ανιχνεύει τις αντιδράσεις:

ν_e + d ® p + p + e^- (CC)

ν_x + d ® n + p + ν_e (NC)

ν_x + e^- ® ν_x + e^- (ES) (Ελαστική σκέδαση)

όπου ν_x είναι τα τρία είδη των νετρίνων. Αν η ροή που υπολογίζεται από τη δεύτερη αντίδραση είναι μεγαλύτερη από αυτήν που υπολογίζεται από την πρώτη, τότε έχει γίνει ταλάντωση.

Η ανίχνευση των αντιδράσεων αυτών και ιδιαίτερα της δεύτερης είναι δύσκολη λόγω του υπόβαθρου που προέρχεται από την κοσμική ακτινοβολία στην ατμόσφαιρα και την φυσική ραδιενέργεια των υλικών. Για να θωρακιστεί ο ανιχνευτής από την κοσμική τοποθετήθηκε σε στοά ορυχείου σε βάθος 2000 m. Το δυσκολότερο ήταν να απομακρυνθούν τα φυσικά ραδιενεργά ισότοπα που υπάρχουν σε όλα τα υλικά. Η φυσική ραδιενέργεια του νερού ήταν ικανή να καλύψει τις παραπάνω αντιδράσεις. Η καθαρότητα που επιτεύχθηκε για το δευτέριο είναι 1 προς 10¹⁴ και για το νερό 1 προς 10¹³. Επίσης η καθαρότητα αυτή πρέπει να διατηρείται σε όλη τη διάρκεια του πειράματος.

Τα ηλεκτρόνια που παράγονται στις αντιδράσεις αυτές καθώς κινούνται στο νερό εκπέμπουν φως (ακτινοβολία Cerencov) το οποίο ανιχνεύεται από τους φωτοπολλαπλασιαστές που περιβάλλουν το δοχείο (10.000 λυχνίες). Από την πληροφορία που δίνουν οι λυχνίες βρίσκουν τη θέση που έγινε η αντίδραση και την ενέργεια του ηλεκτρονίου.

Τελικά είναι ένα πείραμα εξαιρετικά μεγάλης ακρίβειας και χρειάσθηκε προετοιμασία περίπου 10 χρόνων.

Μπόρεσε να μετρήσει την ροή των ηλιακών νετρίνων στις δύο ομάδες αντιδράσεων και τα αποτελέσματα του για μεν τις αντιδράσεις φορτισμένων ρευμάτων (ν_e ) είναι συμβατές με τα προηγούμενα πειράματα ενώ η ροή στα ουδέτερα είναι πολύ μεγαλύτερη. (περίπου τριπλάσια Φ_e = 1,76 ± 0,05 ± 0,09 Φ_nc = 5,09 ± 0,43± 0,44 ) το οποίο σημαίνει ότι γίνεται ταλάντωση των νετρίνων με τη μέγιστη γωνία ανάμειξης.

Για περισσότερες λεπτομέρειες πηγαίνετε στην περιοχή του πειράματος όπου θα βρείτε και ανάτυπα των τελευταίων δημοσιεύσεων του.