Rätsel eines Neutrinos aus Supernova 1987A

Supernova 1987A: während und vor dem Ausbruch

Vor nicht allzu langer Zeit gab es einen guten Artikel von Bars21 über Neutrinos aus Supernovae . Es hat mir sehr gut gefallen und einige Momente (zum Beispiel über den Urka-Prozess) haben dazu geführt, dass wir nicht nur dieselben Lehrer gelesen oder angehört haben, sondern uns vielleicht persönlich gekannt haben :)

Einer der Absätze dieses Artikels (zum besseren Verständnis dessen, was in Zukunft gesagt wird, empfehle ich, ihn erneut zu lesen) war der Neutrino-Registrierung von Supernova 1987A gewidmet, und ich möchte diesen Moment ergänzen. Tatsache ist, dass die Detektoren, die den Neutrino-Burst detektierten, nicht 3, sondern 4 waren, und es gab selbst 2 Bursts. Aber darüber ist selbst Fachleuten praktisch nichts bekannt, ganz zu schweigen von der Öffentlichkeit. Es ist noch beleidigender, dass russische (oder sowjetische, wie Sie möchten) Wissenschaftler eine bedeutende Rolle bei dieser Entdeckung spielten (ist es jedoch eine Entdeckung?).

Und so war es auch.

1984 wurden die Kräfte der sowjetisch-italienischen Zusammenarbeit unter der Leitung des Akademikers Georgy Timofeevich Zatsepin (der im Originalartikel seines Schülers Vadim Alekseevich Kuzmin trotz aller Verdienste nicht der Pionier auf diesem Gebiet war) im Tunnel zwischen Frankreich und Italien unter dem Mont Blanc gebaut Flüssigszintillationsdetektor (LSD).


Die Abkürzung, ahem, führte viele zu leichtfertigen Gedanken, aber als ich den Professor der Universität Turin, Piero Galeotti, der der Urheberschaft des Namens zugeschrieben wurde, danach fragte, scherzte er irgendwie im Scherz.


Die Detektorschaltung und die Hauptantineutrino-Reaktion, die ihrem Betrieb zugrunde liegt (die, die während des Baus erwartet wurde)

Der Detektor enthielt 72 Szintillationszähler mit einer Größe von 1 * 1 * 1,5 m in Eisenbehältern. Ein Szintillator ist eine Substanz, die normalerweise auf Erdölprodukten basiert (in unserem Fall war es Testbenzin), in der geladene Teilchen Lichtblitze erzeugen, die von photoelektronischen Multiplikatoren eingefangen werden. Als Schutz gegen äußere Radioaktivität wurden auf allen Seiten der Anlage Eisenbleche angebracht, so dass pro 90 Tonnen Szintillator etwa 200 Tonnen Eisen produziert wurden. Das Hauptziel der Installation war zunächst die Suche nach Neutrinostrahlung von Supernovae.

Am 23. Februar 1987, um 2:52 UTC (5 Stunden früher als die in Bars21 erwähnten KII, IMB und BUSTs), registrierte der LSD-Detektor das erwartete Signal: 5 Ereignisse mit einer Energiefreisetzung von 6–11 MeV, sehr ähnlich zu Neutrino-Wechselwirkungen für 7 Sekunden.




Der Ausdruck, den das Team am Morgen des 23. Februar 1987 entdeckte, und dieses Team selbst

Um 7:36 UTC zeichnete LSD zusammen mit drei anderen Detektoren zwei weitere ähnliche Ereignisse mit einer Energiefreisetzung von 8–9 MeV auf. Während des ersten Signals in LSD wurden in Rom und Maryland (USA) zwei Gravitationsantennen ausgelöst, bei denen es sich um massive Zylinder handelte, die an dünnen Fäden aufgehängt waren. Monster wie die aktuellen LIGO- oder Virgo-Installationen wurden noch nicht gebaut. Und in Kamiokand II wurde auch ein Signal aufgezeichnet, das aus zwei Ereignissen bestand.


Neue Chronologie;)

Aber wie könnte ein riesiger Detektor mit mehr als 2000 Tonnen Wasser die Anzahl der Ereignisse in einer kleinen Anlage mit 90 Tonnen Wirkstoff - einem Szintillator - „verlieren“? Und woher kam die zweite Reihe von Ereignissen? Was geschah, passte nicht so sehr in die Theorie des Standard-Sternenkollapses, dass das von LSD aufgezeichnete Signal durch ein zufälliges Hintergrundereignis erklärt wurde (ein ähnliches wurde jedoch während des gesamten Betriebs der Installation bis 1999 nicht beobachtet) und es vorzog, es zu vergessen. Wahrscheinlich war auch die traditionelle Langsamkeit der sowjetischen Wissenschaftler betroffen, die versuchten, alles in dem Moment zu überprüfen, in dem es notwendig war, das Eisen zu schmieden, solange es heiß war.

Hier muss ein wenig auf die Bedingungen eingegangen werden, unter denen das Standard-Kollapsmodell gültig ist. Tatsächlich ist dies ein wörtliches „kugelförmiges Pferd im Vakuum“: Ein Stern sollte sich nicht drehen, ein Magnetfeld haben, sondern sphärisch symmetrisch sein. In den Jahren, in denen dieses Modell entwickelt wurde, konnten Differentialgleichungssysteme mit komplexeren Randbedingungen, wie ich vermute, einfach nicht gelöst werden - auch nicht numerisch. In diesem Modell konnte jedoch niemand einen Dump der Sternschale bekommen, den wir als Supernova-Blitz wahrnehmen werden.


Berühmtes astrophysikalisches Bild des Restes SN1987A

In Wirklichkeit sind Sterne jedoch überhaupt nicht sphärisch symmetrisch und drehen sich in der Regel. Selbst moderne Bilder des Überrests von Supernova 1987A sind überhaupt nicht wie ein sphärisch symmetrisches Bild. Es gibt also allen Grund zu der Annahme, dass der Ausbruch der Supernova in der Natur auf komplexere Prozesse zurückzuführen ist. Aber welche?

1995 beendete Vladimir Sergeyevich Imshennik mit Hilfe von Dmitry Konstantinovich Nadezhin die Entwicklung eines Modells, das er als Theorie des rotierenden Kollapsars bezeichnete. Sein Wesen ist wie folgt.

Wenn sich der Eisenkern des Sterns (und wir wissen, dass Sterne Wasserstoffatome von Helium zu Eisen produzieren, ist die Bildung schwererer Kerne energetisch nachteilig) an der Schwelle der Gravitationskompression dreht, die durch die „Vererbung“ der Rotation des gesamten Sterns und das Gesetz der Drehmomenterhaltung verursacht wird Aus den Berechnungen folgt dann, dass die Rotationsperiode eine Tausendstelsekunde beträgt. Natürlich ist der Kern in axialer Richtung abgeflacht und es tritt Instabilität auf. Eine Hantel entsteht aus einer abgeflachten Scheibe, die in Stücke gerissen wird (im einfachsten Fall in zwei Teile). In diesem Moment werden hauptsächlich Elektronenneutrinos emittiert (und nicht Neutrinos aller Art, wie aus dem Standardkollapsmodell hervorgeht).

Das binäre System beginnt sich um einen gemeinsamen Schwerpunkt zu drehen und sendet aktiv Gravitationswellen aus, wodurch sowohl Energie als auch das Rotationsmoment vom System weggetragen werden. Die Fragmente des Kerns kommen zusammen, so dass der Moment des Stofftransfers kommt: Die leichtere Komponente beginnt, die Substanz auf die schwerere zu werfen und die Rotation fortzusetzen. Wenn die Masse der Lichtkomponente etwa 10% der Sonne ausmacht, wird sie instabil und explodiert, und die schwerere kollabiert, vermutlich gemäß dem Standardszenario (dieser Moment persönlich schien mir im gesamten Modell immer eine große Strecke zu sein).

Trotz der Tatsache, dass die Materiedichte im Kern des Sterns in beiden Szenarien - einem rotierenden Kollapsar und einem Standardkollapsar - nahe am Kern liegt, ist im zweiten Fall die Temperatur im Zentrum des Kerns um zwei Größenordnungen höher. Aus diesem Grund werden Neutrinos mit ziemlich hohen Energien geboren - 100-200 MeV, aber bei dieser Materiedichte interagieren sogar Neutrinos wiederholt. Durch Streuung und erneute Strahlung kommen Neutrinos aller Art mit Energien von 10–20 MeV an die Oberfläche. Aufgrund der niedrigen Temperatur im rotierenden Kollapsar besteht die Hauptreaktion der Neutrino-Bildung darin, Elektronen in Protonen zu „drücken“:

e ^- + p → n + ν _e

Die Neutrinoenergie beträgt in diesem Fall ungefähr 30 - 40 MeV, die Menge an Substanz, die das Neutrino in der Nähe der polaren Richtungen überwinden muss, ist viel geringer. Ähnliche Neutrinos können ohne Wechselwirkung die Oberfläche eines Sterns erreichen und ihre Energie von 30–40 MeV beibehalten.

Zum Nachweis von Elektronenneutrinos, die während des ersten Ausbruchs emittiert wurden, sind Kerne wie Deuterium, Kohlenstoff und schwere neutronenreiche Elemente wie Eisen, Blei und andere gut geeignet. Eine ausreichende Anzahl solcher Elemente existierte nur im LSD (das BPST enthielt auch Eisen, aber dort war es relativ klein und in einer nicht so erfolgreichen Konfiguration). Somit stellte sich heraus, dass dieses Setup das einzige war, das während des ersten Blitzes zuverlässig etwas „sehen“ konnte. Die Wechselwirkung von Neutrinos mit Sauerstoff, der in der Wasserformel enthalten ist, würde auch mehrere Ereignisse ergeben (dies tat es, aber das Kamiokande II-Team machte keine Werbung dafür), aber viel weniger als Eisen, wenn wir den Effekt pro Masseneinheit zählen.

Tatsache ist, dass durch die Wechselwirkung eines Elektronenneutrinos mit Eisen Kobalt und ein Elektron gebildet werden.

ν _e + ⁵⁶ Fe → e ^- + ⁵⁶ Co ^*

Der Kobalt-56-Kern (aus rein nuklearen Gründen) wird immer in einem angeregten, nicht grundlegenden Zustand geboren. Diese Anregung wird durch die Emission einer oder mehrerer Gammastrahlen beseitigt. Und wenn die im Eisen geborenen Elektronen nicht aus dem Eisen austreten, haben neutrale Gammastrahlen (mit charakteristischen Energien von 1,7, 1,8, 4 oder 7 MeV) eine größere Durchdringungskraft und fallen mit ziemlicher Sicherheit in die Szintillationsschicht.


Schema der Wechselwirkung von Neutrinos mit Eisen in einem LSD-Szintillationsdetektor.

Das Energiespektrum im Szintillator wird durch die Formel dE / E mit einem zusätzlichen Maximum von etwa 7 MeV beschrieben. Der Hauptbeitrag dazu werden Gammastrahlen aus der Entfernung der Kobaltanregung und Gammastrahlen leisten, die von einem Elektron infolge seiner Hemmung in Eisen erzeugt werden.

Es schien, dass das Rätsel von Supernova 1987A mit einem Modell eines rotierenden Kollapsars gelöst wurde. Olga Georgievna Ryazhskaya, eine andere Studentin von Zatsepin, die tatsächlich für das sowjetische LSD-Experiment verantwortlich war, sprach auf mehreren Konferenzen mit Imshennik, um die Welt von der Entdeckung zu überzeugen (es scheint mir, dass ihre Größenordnung den Nobelpreis erhielt). Das Misstrauen der wissenschaftlichen Gemeinschaft gegenüber dem langjährigen Ergebnis des LSD-Experiments war jedoch so groß (tatsächlich „wie Sie die Yacht nennen, wird sie schweben“) und es ging Zeit verloren (es war möglich, die experimentellen Daten erst in den frühen 2000er Jahren nach 15 Jahren mit der Berechnung zu vergleichen nach dem Ausbruch selbst), so dass diese Erklärung keine breite Anerkennung erhielt. Nur in Russland wurden mehrere konkurrierende Theorien entwickelt, die den Mechanismus von Supernova-Explosionen und die Erzeugung von Neutrinos erklären sollten. In Ermangelung experimenteller Beweise sind alle diese Theorien Vorbilder oder, wenn Sie so wollen, nichts anderes als Hypothesen geblieben.

Die einzige Schlussfolgerung, die aus dieser Geschichte mit Sicherheit gezogen werden kann, ist die Notwendigkeit, solche Geräte zu bauen, die nicht nur die „allgemein anerkannte“ Wechselwirkung des Elektronenantineutrinos mit dem Proton, sondern auch die Wechselwirkung aller Arten von Neutrinos aufzeichnen können. Dazu werden nicht nur Cherenkov-Detektoren mit Wasser oder reine Szintillationsanlagen benötigt, sondern es ist auch wünschenswert, eine zelluläre Konfiguration - eine Art Neutrino-Kalorimeter mit der Fähigkeit zur Energiemessung - unter Verwendung schwerer Elemente wie Eisen oder Blei zu haben.


LVD Aus Platzmangel in der Mine wurde er immer aus einem Winkel fotografiert und nur dann, wenn sich keine andere Installation vor ihm befand

Eine ähnliche Installation war der Nachfolger des LSD-Experiments - der LVD-Detektor (Large Volume Detector), der sich in der Halle neben dem unterirdischen Borexino-Labor von Gran Sasso im italienischen Apennin befindet. Es enthielt ungefähr 1000 Tonnen des gleichen Szintillators und der gleichen Menge Eisen wie tragende Module und konnte im Falle eines Supernova-Ausbruchs im Zentrum unserer Galaxie bis zu 1000 reine Neutrino-Ereignisse erfolgreich aufzeichnen. Leider ist dieses Phänomen ziemlich selten, und im Laufe der Jahre seiner Arbeit (im Jahr 2001 wurde es vollständig gebaut, aber die Beobachtungen begannen einige Jahre früher) hatte er bis heute kein Glück. Ich schreibe darüber in der Vergangenheitsform, weil es leider nächstes Jahr geplant ist, es außer Betrieb zu setzen. Vielleicht wird die Menschheit für immer die Gelegenheit verpassen, eines der Geheimnisse des Universums zu lösen.

Aber ich glaube immer noch an das Beste.