Enigma de un neutrino de Supernova 1987A

Supernova 1987A: durante y antes del brote

No hace mucho tiempo, había un buen artículo de Bars21 sobre los neutrinos de las supernovas . Realmente me gustó, y algunos momentos (por ejemplo, sobre el proceso urka) llevaron al hecho de que no solo leíamos o escuchamos a los mismos maestros, sino que tal vez nos conocíamos personalmente :)

Uno de los párrafos de este artículo (para una mejor comprensión de lo que se dirá en el futuro, recomiendo volver a leerlo) se dedicó al registro de neutrinos de Supernova 1987A, y me gustaría complementar este momento. El hecho es que los detectores que detectaron el estallido de neutrinos no fueron 3, sino 4, y hubo 2 explosiones, pero prácticamente nada se sabe de esto, incluso para los especialistas, sin mencionar al público en general. Es aún más insultante que los científicos rusos (o soviéticos, como quieras) hayan jugado un papel importante en este descubrimiento (aunque, ¿es un descubrimiento?).

Y fue así.

En 1984, las fuerzas de la colaboración soviético-italiana dirigida por el académico Georgy Timofeevich Zatsepin (mencionado en el artículo original de su alumno Vadim Alekseevich Kuzmin, por todos sus méritos, no fue el pionero en este campo) en el túnel entre Francia e Italia bajo el Mont Blanc. Detector de centelleo líquido (LSD).


La abreviatura, ejem, condujo a muchos a pensamientos frívolos, pero cuando pregunté sobre esto al profesor de la Universidad de Turín, Piero Galeotti, a quien se le atribuyó la autoría del nombre, bromeó de alguna manera.


El circuito detector y la principal reacción antineutrina subyacente a su funcionamiento (el que se esperaba durante la construcción)

El detector contenía 72 contadores de centelleo que medían 1 * 1 * 1.5 m en contenedores de hierro. Un centelleador es una sustancia, generalmente basada en productos derivados del petróleo (en nuestro caso, fue aguarrás), en el cual las partículas cargadas generan destellos de luz que son capturados por los multiplicadores fotoelectrónicos. Como escudo contra la radiactividad externa, se colocaron láminas de hierro en todos los lados de la instalación, de modo que se produjeron aproximadamente 200 toneladas de hierro por cada 90 toneladas de centelleador. Inicialmente, el objetivo principal de la instalación era buscar radiación de neutrinos de las supernovas.

El 23 de febrero de 1987, a las 2:52 UTC (5 horas antes que el KII, IMB y BUST mencionados en Bars21 ), el detector LSD registró la señal esperada: 5 eventos con una liberación de energía de 6–11 MeV, muy similar a las interacciones de neutrinos , por 7 segundos.




La impresión que el equipo descubrió en la mañana del 23 de febrero de 1987, y este equipo mismo

A las 7:36 UTC, el LSD, junto con otros tres detectores, registró 2 eventos más similares con una liberación de energía de 8–9 MeV. Durante la primera señal en LSD, se dispararon dos antenas gravitacionales en Rome y Maryland (EE. UU.), Que eran cilindros masivos suspendidos en hilos delgados. Monstruos como las instalaciones actuales de LIGO o Virgo aún no se han construido. Y en Kamiokand II, también se grabó una señal que consta de dos eventos.


Nueva cronología;)

Pero, ¿cómo podría un enorme detector que contiene más de 2000 toneladas de agua "perder" el número de eventos en una pequeña instalación con 90 toneladas de una sustancia activa: un centelleador? ¿Y de dónde vino el segundo conjunto de eventos? Lo que sucedió no encajaba tanto en la teoría del colapso estelar estándar que la señal registrada por LSD fue explicada por un evento de fondo aleatorio (sin embargo, uno similar no se observó durante toda la operación de la instalación, hasta 1999), y prefirió olvidarlo. Probablemente, la lentitud tradicional de los científicos soviéticos, que intentaron verificar todo en el momento en que era necesario forjar el hierro, mientras hacía calor, también se vio afectada.

Aquí es necesario profundizar un poco en las condiciones bajo las cuales es válido el modelo de colapso estándar. De hecho, este es un literal "caballo esférico en el vacío": una estrella no debe girar, tener un campo magnético, sino ser esféricamente simétrica. En los años en que se desarrolló este modelo, sospecho que los sistemas de ecuaciones diferenciales con condiciones de contorno más complejas simplemente no podían resolverse, ni siquiera numéricamente. Sin embargo, en este modelo, nadie pudo obtener un volcado del caparazón de la estrella, que percibiremos como un destello de supernova.


Famosa imagen astrofísica del remanente SN1987A

Pero en realidad, las estrellas no son esféricamente simétricas y, por regla general, rotan. Incluso las imágenes modernas del remanente de Supernova 1987A no se parecen en nada a una imagen esféricamente simétrica. Entonces, hay muchas razones para creer que en la naturaleza el brote de la Supernova ocurre debido a algunos procesos más complejos. Pero cuales?

En 1995, Vladimir Sergeyevich Imshennik, con la ayuda de Dmitry Konstantinovich Nadezhin, terminó de desarrollar un modelo, al que llamó la teoría del colapso rotativo. Su esencia es la siguiente.

Si el núcleo de hierro de la estrella (y sabemos que las estrellas producen átomos de hidrógeno de helio a hierro, la formación de núcleos más pesados ​​es energéticamente desventajosa) gira en el umbral de la compresión gravitacional, que es causada por la "herencia" de rotación de toda la estrella y la ley de conservación del torque , luego de los cálculos se deduce que el período de su rotación es una milésima de segundo. Naturalmente, el núcleo se aplana en la dirección axial y se produce inestabilidad. Una pesa surge de un disco aplanado, que se rompe en pedazos (en el caso más simple, en dos). En este momento, se emiten principalmente neutrinos electrónicos (y no neutrinos de todos los tipos, como se desprende del modelo de colapso estándar).

El sistema binario comienza a rotar alrededor de un centro de masa común, emitiendo activamente ondas gravitacionales, por lo que tanto la energía como el momento de rotación se llevan del sistema. Los fragmentos del núcleo se unen, de modo que llega el momento de la transferencia de masa: el componente más ligero comienza a volcar la sustancia sobre el más pesado, continuando la rotación. Cuando la masa del componente de luz se convierte en aproximadamente el 10% de la energía solar, se vuelve inestable y explota, y el más pesado colapsa, presumiblemente de acuerdo con el escenario estándar (este momento personalmente siempre me pareció un gran estiramiento en todo el modelo).

A pesar de que la densidad de la materia en el núcleo de la estrella en ambos escenarios, un colapso rotativo y uno estándar, es cercana a la nuclear, en el segundo caso, la temperatura en el centro del núcleo es dos órdenes de magnitud más alta. Debido a esto, los neutrinos nacen con energías bastante altas: 100-200 MeV, pero a esta densidad de materia, incluso los neutrinos interactuarán repetidamente. Dispersándose y reradiando, salen a la superficie neutrinos de todo tipo con energías de 10–20 MeV. Debido a la baja temperatura, en el colapso rotativo, la reacción principal de la formación de neutrinos es el "empuje" de electrones en protones:

e ^- + p → n + ν _e

La energía del neutrino en este caso será de aproximadamente 30 - 40 MeV, la cantidad de sustancia que el neutrino necesita para vencer cerca de las direcciones polares es mucho menor. Neutrinos similares pueden alcanzar la superficie de una estrella sin interacción, reteniendo su energía de 30 a 40 MeV.

Para detectar neutrinos electrónicos emitidos durante el primer brote, los núcleos como el deuterio, el carbono y los elementos pesados ​​ricos en neutrones como el hierro, el plomo y otros son muy adecuados. Solo existía un número suficiente de tales elementos en el LSD (el BPST también incluía hierro, pero allí era relativamente pequeño y en una configuración no tan exitosa). Por lo tanto, esta configuración resultó ser la única que podía "ver" algo de manera confiable durante el primer flash. La interacción de los neutrinos con el oxígeno contenido en la fórmula del agua también daría varios eventos (lo hizo, pero el equipo de Kamiokande II no lo publicitó), pero mucho menos que el hierro, si contamos el efecto por unidad de masa.

El hecho es que, como resultado de la interacción de un electrón, se forman neutrinos con hierro, cobalto y un electrón.

ν _e + ⁵⁶ Fe → e ^- + ⁵⁶ Co ^*

El núcleo de cobalto-56 (debido a razones puramente nucleares) siempre nace en un estado excitado, no básico. Esta excitación se elimina mediante la emisión de uno o más rayos gamma. Y si los electrones nacidos en el hierro pueden no salir de él, entonces los rayos gamma neutros (con energías características de 1.7, 1.8, 4 o 7 MeV) tienen un mayor poder de penetración y casi seguramente caerán en la capa de centelleo.


Esquema de interacción de neutrinos con hierro en un detector de centelleo LSD.

El espectro de energía en el centelleador se describirá mediante la fórmula dE / E con un máximo adicional de aproximadamente 7 MeV. La principal contribución a esto será hecha por los rayos gamma de la eliminación de la excitación de cobalto y los rayos gamma generados por un electrón como resultado de su inhibición en el hierro.

Parecía que el enigma de Supernova 1987A se resolvió utilizando un modelo de colapsar rotativo. Olga Georgievna Ryazhskaya, otra estudiante de Zatsepin, que fue realmente responsable del experimento soviético de LSD, habló en varias conferencias con Imshennik tratando de convencer al mundo del descubrimiento (me parece que su escala obtuvo el Premio Nobel). Sin embargo, la desconfianza de la comunidad científica del resultado de larga data del experimento LSD fue tan grande (de hecho, "como usted llama al yate, flotará"), y se perdió tiempo (fue posible comparar los datos experimentales con el cálculo solo a principios de la década de 2000, después de 15 años después del brote en sí), por lo que esta explicación no recibió un amplio reconocimiento. Solo en Rusia se desarrollaron varias teorías más competitivas que afirmaban explicar el mecanismo de las explosiones de supernovas y la generación de neutrinos. En ausencia de evidencia experimental, todas estas teorías han seguido siendo modelos o, si lo desea, nada más que hipótesis.

La única conclusión que se puede extraer de esta historia es la necesidad de construir dispositivos que puedan registrar no solo la interacción "universalmente reconocida" del antineutrino electrónico con el protón, sino la interacción de todos los tipos de neutrinos. Para esto, no solo se necesitan detectores Cherenkov que utilicen agua, o instalaciones de centelleo puro, sino que es deseable tener una configuración celular, algún tipo de calorímetros de neutrinos con la capacidad de medir energía, utilizando elementos pesados ​​como el hierro o el plomo.


LVD Por falta de espacio en la mina, siempre fue fotografiado desde un ángulo y solo cuando no había otra instalación frente a él

Una instalación similar fue la sucesora del experimento LSD: el detector LVD (detector de gran volumen), ubicado en la sala al lado del laboratorio subterráneo Borexino de Gran Sasso en los Apeninos italianos. Contenía aproximadamente 1000 toneladas del mismo centelleador y la misma cantidad de hierro que los módulos de carga y podía registrar con éxito hasta 1000 eventos puramente neutrinos en caso de un brote de Supernova en el centro de nuestra galaxia. Por desgracia, este fenómeno es bastante raro, y durante los años de su trabajo (en 2001 fue completamente construido, pero las observaciones comenzaron varios años antes) hasta el día de hoy no tuvo suerte. Escribo sobre esto en tiempo pasado, porque, desafortunadamente, el próximo año se planeará su desmantelamiento. Quizás la humanidad siempre perderá la oportunidad de resolver uno de los misterios del universo.

Pero todavía creo en lo mejor.