Devinette d'un neutrino de Supernova 1987A

Supernova 1987A: pendant et avant l'épidémie

Il n'y a pas si longtemps, Bars21 a publié un bon article sur les neutrinos des supernovae . J'ai vraiment aimé, et certains moments (par exemple, à propos du processus urka) ont conduit au fait que non seulement nous avons lu ou écouté les mêmes enseignants, mais peut-être que nous nous connaissions personnellement :)

Un des paragraphes de cet article (pour une meilleure compréhension de ce qui sera dit à l'avenir, je recommande de le relire) était consacré à l'enregistrement des neutrinos de Supernova 1987A, et je voudrais compléter ce moment. Le fait est que les détecteurs qui ont détecté la salve de neutrinos n'étaient pas 3, mais 4, et il y avait 2 salves eux-mêmes, mais pratiquement rien n'est connu à ce sujet même pour les spécialistes, sans parler du grand public. Il est encore plus insultant que des scientifiques russes (ou soviétiques, comme vous le souhaitez) aient joué un rôle important dans cette découverte (cependant, est-ce une découverte?).

Et c'était comme ça.

En 1984, les forces de la collaboration soviéto-italienne dirigée par l'académicien Georgy Timofeevich Zatsepin (mentionné dans l'article original par son étudiant Vadim Alekseevich Kuzmin, pour tous ses mérites, n'était pas le pionnier dans ce domaine) dans le tunnel entre la France et l'Italie sous le Mont Blanc a été construit Détecteur de scintillation liquide (LSD).


L'abréviation, ahem, a conduit beaucoup de gens à toutes sortes de pensées frivoles, mais quand j'ai demandé à ce sujet le professeur de l'Université de Turin Piero Galeotti, qui était crédité de la paternité du nom, il a en quelque sorte plaisanté en plaisantant.


Le circuit du détecteur et la principale réaction antineutrino sous-jacente à son fonctionnement (celle qui était attendue lors de la construction)

Le détecteur contenait 72 compteurs à scintillation mesurant 1 * 1 * 1,5 m dans des conteneurs en fer. Un scintillateur est une substance, généralement à base de produits pétroliers (dans notre cas, c'était du white spirit), dans laquelle des particules chargées génèrent des éclairs de lumière captés par des multiplicateurs photoélectroniques. Pour se protéger de la radioactivité externe, des feuilles de fer ont été placées de tous les côtés de l'installation, de sorte qu'environ 200 tonnes de fer ont été produites pour 90 tonnes de scintillateur. Initialement, l'objectif principal de l'installation était de rechercher le rayonnement neutrino des supernovae.

Le 23 février 1987, à 2:52 UTC (5 heures plus tôt que les KII, IMB et BUSTs mentionnés dans Bars21 ), le détecteur LSD a enregistré le signal attendu: 5 événements avec une libération d'énergie de 6–11 MeV, très similaire aux interactions neutrinos , pendant 7 secondes.




L'impression que l'équipe a découverte le matin du 23 février 1987 et cette équipe elle-même

À 7 h 36 UTC, le LSD, avec trois autres détecteurs, a enregistré 2 autres événements similaires avec une libération d'énergie de 8 à 9 MeV. Lors du premier signal en LSD, deux antennes gravitationnelles ont été déclenchées à Rome et au Maryland (USA), qui étaient des cylindres massifs suspendus sur des fils fins. Des monstres comme les installations LIGO ou Virgo actuelles n'ont pas encore été construits. Et dans Kamiokand II, un signal composé de deux événements a également été enregistré.


Nouvelle chronologie;)

Mais comment un énorme détecteur contenant plus de 2 000 tonnes d'eau peut-il «perdre» le nombre d'événements dans une petite installation avec 90 tonnes d'une substance active - un scintillateur? Et d'où vient la deuxième série d'événements? Ce qui s'est passé ne correspondait pas tellement à la théorie de l'effondrement standard des étoiles que le signal enregistré par LSD était expliqué par un événement de fond aléatoire (un événement similaire, cependant, n'a pas été observé pendant toute l'exploitation de l'installation, jusqu'en 1999), et a préféré l'oublier. Probablement, la lenteur traditionnelle des scientifiques soviétiques, qui cherchaient à tout revérifier au moment où il fallait forger le fer, alors qu'il était chaud, ont également affecté.

Ici, il est nécessaire de se pencher un peu sur les conditions dans lesquelles le modèle d'effondrement standard est valide. En fait, il s'agit littéralement d'un «cheval sphérique dans le vide»: une étoile ne doit pas tourner, avoir un champ magnétique, mais être symétrique sphérique. Dans les années où ce modèle a été développé, les systèmes d'équations différentielles avec des conditions aux limites plus complexes, je suppose, ne pouvaient tout simplement pas être résolus - même numériquement. Cependant, dans ce modèle, personne n'a pu obtenir une décharge de la coquille de l'étoile, que nous percevrons comme un flash de supernova.


Image astrophysicien célèbre du reste SN1987A

Mais en réalité, les étoiles ne sont pas du tout sphériques symétriques et, en règle générale, elles tournent. Même les images modernes du vestige de Supernova 1987A ne sont pas du tout comme une image à symétrie sphérique. Il y a donc tout lieu de croire que, dans la nature, le déclenchement de la Supernova se produit en raison de processus plus complexes. Mais lesquels?

En 1995, Vladimir Sergeyevich Imshennik, avec l'aide de Dmitry Konstantinovich Nadezhin, a terminé le développement d'un modèle, qu'il a appelé la théorie du collapsar rotatif. Son essence est la suivante.

Si le noyau de fer de l'étoile (et nous savons que les étoiles produisent des atomes d'hydrogène à partir de l'hélium au fer, la formation de noyaux plus lourds est énergétiquement désavantageux) tourne sur le seuil de compression gravitationnelle, qui est causé par «l'hérédité» de la rotation de l'étoile entière et la loi de conservation du couple , puis des calculs il résulte que la période de sa rotation est d'un millième de seconde. Naturellement, le noyau est aplati dans la direction axiale et une instabilité se produit. Un haltère naît d'un disque aplati, qui est déchiré en morceaux (dans le cas le plus simple, en deux). À ce moment, principalement des neutrinos électroniques sont émis (et non des neutrinos de tous types, comme suit du modèle d'effondrement standard).

Le système binaire commence à tourner autour d'un centre de masse commun, émettant activement des ondes gravitationnelles, en raison desquelles l'énergie et le moment de rotation sont éloignés du système. Les fragments du noyau se rejoignent, de sorte que le moment du transfert de masse arrive: le composant le plus léger commence à déverser la substance sur le plus lourd, poursuivant la rotation. Lorsque la masse de la composante lumineuse devient environ 10% du solaire, elle devient instable et explose, et la plus lourde s'effondre, vraisemblablement selon le scénario standard (ce moment me semble toujours toujours un grand tronçon dans tout le modèle).

Malgré le fait que la densité de matière dans le cœur de l’étoile dans les deux scénarios - un collapsar rotatif et un collapsar standard - soit proche du nucléaire, dans le second cas, la température au centre du noyau est supérieure de deux ordres de grandeur. Pour cette raison, les neutrinos naissent avec des énergies plutôt élevées - 100-200 MeV, mais à cette densité de matière, même les neutrinos interagiront à plusieurs reprises. Dispersant et reradiant, des neutrinos de tous types avec des énergies de 10–20 MeV remontent à la surface. En raison de la basse température, dans le collapsar rotatif, la principale réaction de la formation de neutrinos est la «poussée» d'électrons dans les protons:

e ^- + p → n + ν _e

L'énergie des neutrinos dans ce cas sera d'environ 30 à 40 MeV, la quantité de substance dont le neutrino a besoin pour être surmonté près des directions polaires est bien moindre. Des neutrinos similaires peuvent atteindre la surface d'une étoile sans interaction, en conservant leur énergie de 30 à 40 MeV.

Pour détecter les neutrinos électroniques émis lors de la première épidémie, les noyaux tels que le deutérium, le carbone et les éléments riches en neutrons lourds tels que le fer, le plomb et d'autres sont bien adaptés. Un nombre suffisant de ces éléments n'existait que dans le LSD (le BPST comprenait également du fer, mais là, il était relativement petit et dans une configuration moins réussie). Ainsi, cette configuration s'est avérée être la seule à pouvoir «voir» quelque chose de manière fiable lors du premier flash. L'interaction des neutrinos avec l'oxygène contenu dans la formule de l'eau donnerait également plusieurs événements (c'est le cas, mais l'équipe Kamiokande II ne l'a pas annoncé), mais beaucoup moins que le fer, si l'on compte l'effet par unité de masse.

Le fait est qu'à la suite de l'interaction d'un neutrino électronique avec le fer, le cobalt et un électron se forment.

ν _e + ⁵⁶ Fe → e ^- + ⁵⁶ Co ^*

Le noyau de cobalt 56 (pour des raisons purement nucléaires) est toujours né dans un état excité et non basique. Cette excitation est supprimée par l'émission d'un ou plusieurs rayons gamma. Et si les électrons nés dans le fer ne peuvent pas en sortir, les rayons gamma neutres (avec des énergies caractéristiques de 1,7, 1,8, 4 ou 7 MeV) ont un pouvoir de pénétration plus important et tomberont presque certainement dans la couche de scintillation.


Schéma d'interaction des neutrinos avec le fer dans un détecteur à scintillation LSD.

Le spectre d'énergie dans le scintillateur sera décrit par la formule dE / E avec un maximum supplémentaire d'environ 7 MeV. La contribution principale à cet effet sera apportée par les rayons gamma provenant de l'élimination de l'excitation du cobalt et les rayons gamma générés par un électron du fait de son inhibition dans le fer.

Il semble que l'énigme de Supernova 1987A ait été résolue à l'aide d'un modèle de collapsar rotatif. Olga Georgievna Ryazhskaya, une autre étudiante de Zatsepin, qui était en fait responsable de l'expérience soviétique du LSD, a parlé lors de plusieurs conférences avec Imshennik essayant de convaincre le monde de la découverte (il me semble que son ampleur a tiré le prix Nobel). Cependant, la méfiance de la communauté scientifique envers le résultat de longue date de l'expérience LSD était si grande (en effet, "comme vous nommez le yacht, il flottera"), et du temps a été perdu (il n'a été possible de comparer les données expérimentales avec le calcul qu'au début des années 2000, après 15 ans après l'éclosion elle-même), cette explication n'a donc pas été largement reconnue. Ce n'est qu'en Russie seulement que plusieurs théories concurrentes ont été développées qui prétendaient expliquer le mécanisme des explosions de supernova et la génération de neutrinos. En l'absence de preuves expérimentales, toutes ces théories sont restées des modèles ou, si vous voulez, rien de plus que des hypothèses.

La seule conclusion qui peut être tirée de cette histoire est à coup sûr la nécessité de construire de tels dispositifs qui pourraient enregistrer non seulement l'interaction «universellement reconnue» de l'antineutrino électronique avec le proton, mais l'interaction de tous les types de neutrinos. Pour cela, non seulement des détecteurs Cherenkov utilisant de l'eau, soit des installations purement à scintillation sont nécessaires, mais il est souhaitable d'avoir une configuration cellulaire - une sorte de calorimètres à neutrinos capables de mesurer l'énergie - en utilisant des éléments lourds comme le fer ou le plomb.


LVD Faute d'espace dans la mine, il a toujours été photographié sous un seul angle et uniquement lorsqu'il n'y avait aucune autre installation devant lui

Une installation similaire a succédé à l'expérience LSD - le détecteur LVD (Large Volume Detector), situé dans le hall à côté du laboratoire souterrain Borexino du Gran Sasso dans les Apennins italiens. Il contenait environ 1000 tonnes du même scintillateur et la même quantité de fer que les modules porteurs et pourrait enregistrer avec succès jusqu'à 1000 événements purement neutrinos en cas d'épidémie de Supernova au centre de notre galaxie. Hélas, ce phénomène est assez rare, et au fil des années de son travail (en 2001 il a été entièrement construit, mais les observations ont commencé plusieurs années plus tôt) à ce jour il n'a pas eu de chance. J'écris à ce sujet au passé, car, malheureusement, l'année prochaine, il devrait être mis hors service. Peut-être que l'humanité manquera à jamais l'occasion de résoudre l'un des mystères de l'univers.

Mais je crois toujours au meilleur.