Teka-teki neutrino dari Supernova 1987A

Supernova 1987A: selama dan sebelum wabah

Belum lama berselang, ada artikel bagus dari Bars21 tentang neutrino dari supernova . Saya sangat menyukainya, dan beberapa saat (misalnya, tentang proses urka) mengarah pada fakta bahwa kami tidak hanya membaca atau mendengarkan guru yang sama, tetapi mungkin kami saling mengenal secara pribadi :)

Salah satu paragraf artikel ini (untuk pemahaman yang lebih baik tentang apa yang akan dikatakan di masa depan, saya sarankan membaca ulang itu) dikhususkan untuk pendaftaran neutrino dari Supernova 1987A, dan saya ingin menambah saat ini. Faktanya adalah bahwa detektor yang mendeteksi ledakan neutrino bukan 3, tetapi 4, dan ada 2 ledakan sendiri, tetapi secara praktis tidak ada yang diketahui tentang ini bahkan untuk spesialis, belum lagi masyarakat umum. Bahkan lebih menghina bahwa para ilmuwan Rusia (atau Soviet, sesuka Anda) memainkan peran penting dalam penemuan ini (meskipun, apakah ini sebuah penemuan?).

Dan seperti itu.

Pada tahun 1984, kekuatan kolaborasi Soviet-Italia yang dipimpin oleh Akademisi Georgy Timofeevich Zatsepin (disebutkan dalam artikel aslinya oleh muridnya Vadim Alekseevich Kuzmin, dengan segala kelebihannya, bukan pelopor dalam bidang ini) dalam terowongan antara Prancis dan Italia di bawah Mont Blanc dibangun Liquid Scintillation Detector (LSD).


Singkatannya, ahem, membuat banyak orang berpikiran sembrono, tetapi ketika saya bertanya tentang hal ini, profesor Universitas Turin, Piero Galeotti, yang dikreditkan dengan kepengarangan nama itu, dia entah bagaimana bercanda bercanda.


Sirkuit detektor dan reaksi antineutrino utama yang mendasari operasinya (yang diharapkan selama konstruksi)

Detektor berisi 72 penghitung kilau berukuran 1 * 1 * 1,5 m dalam wadah besi. Scintillator adalah zat, biasanya didasarkan pada produk minyak bumi (dalam kasus kami itu adalah white spirit), di mana partikel bermuatan menghasilkan kilatan cahaya yang ditangkap oleh pengganda photoelectronic. Sebagai perisai terhadap radioaktivitas eksternal, lembaran besi ditempatkan di semua sisi instalasi, sehingga sekitar 200 ton besi diproduksi per 90 ton sintilator. Awalnya, tujuan utama instalasi adalah untuk mencari radiasi neutrino dari supernova.

Pada 23 Februari 1987, pada pukul 2:52 UTC (5 jam lebih awal dari KII, IMB dan BUSTs yang disebutkan di Bars21 ), detektor LSD mendaftarkan sinyal yang diharapkan: 5 peristiwa dengan pelepasan energi 6–11 MeV, sangat mirip dengan interaksi neutrino , selama 7 detik.




Hasil cetakan yang ditemukan tim pada pagi hari 23 Februari 1987, dan tim ini sendiri

Pada pukul 7:36 UTC, LSD, bersama dengan tiga detektor lainnya, merekam 2 peristiwa serupa dengan pelepasan energi 8-9 MeV. Selama sinyal pertama di LSD, dua antena gravitasi dipicu di Roma dan Maryland (AS), yang merupakan silinder besar yang tergantung pada benang tipis. Monster seperti instalasi LIGO atau Virgo saat ini belum dibangun. Dan di Kamiokand II, sinyal yang terdiri dari dua peristiwa juga direkam.


Kronologi baru;)

Tetapi bagaimana mungkin sebuah detektor besar yang berisi lebih dari 2000 ton air “kehilangan” jumlah kejadian dalam instalasi kecil dengan 90 ton zat aktif - scintillator? Dan dari mana datangnya rangkaian acara kedua? Apa yang terjadi tidak sesuai dengan teori keruntuhan bintang standar sehingga sinyal yang direkam oleh LSD dijelaskan oleh peristiwa latar belakang acak (yang serupa, bagaimanapun, tidak diamati selama seluruh operasi instalasi, hingga 1999), dan lebih suka melupakannya. Mungkin, kelambanan tradisional para ilmuwan Soviet, yang berusaha memeriksa ulang semuanya pada saat diperlukan untuk menempa besi, selagi panas, juga terpengaruh.

Di sini perlu untuk menggali sedikit ke dalam kondisi di mana model runtuh standar valid. Faktanya, ini adalah “kuda bulat dalam ruang hampa”: bintang tidak boleh berputar, memiliki medan magnet, tetapi simetris berbentuk bola. Pada tahun-tahun ketika model ini dikembangkan, sistem persamaan diferensial dengan kondisi batas yang lebih kompleks, saya kira, tidak bisa dipecahkan - bahkan secara numerik. Namun, dalam model ini, tidak ada yang bisa mendapatkan dump dari cangkang bintang, yang akan kita anggap sebagai flash supernova.


Gambar astrofisikawan terkenal dari SN1987A yang tersisa

Namun pada kenyataannya, bintang-bintang sama sekali tidak simetris dan, pada dasarnya, mereka berputar. Bahkan gambar-gambar modern dari sisa-sisa Supernova 1987A sama sekali tidak seperti gambar simetris bola. Jadi ada setiap alasan untuk percaya bahwa di alam pecahnya Supernova terjadi karena beberapa proses yang lebih kompleks. Tapi yang mana?

Pada 1995, Vladimir Sergeyevich Imshennik, dengan bantuan Dmitry Konstantinovich Nadezhin, selesai mengembangkan model, yang ia sebut teori rotating collapsar. Esensinya adalah sebagai berikut.

Jika inti besi bintang (dan kita tahu bahwa bintang menghasilkan atom hidrogen dari helium ke besi, pembentukan inti lebih berat secara energetik tidak menguntungkan) berputar pada ambang kompresi gravitasi, yang disebabkan oleh "pewarisan" rotasi seluruh bintang dan hukum kekekalan torsi. , kemudian dari perhitungan berikut bahwa periode rotasi adalah seperseribu detik. Secara alami, inti diratakan dalam arah aksial dan terjadi ketidakstabilan. Halter muncul dari disk yang rata, yang terkoyak-koyak (dalam kasus paling sederhana, menjadi dua). Pada saat ini, sebagian besar neutrino elektron dipancarkan (dan bukan neutrino dari semua jenis, sebagai berikut dari model keruntuhan standar).

Sistem biner mulai berputar di sekitar pusat massa bersama, secara aktif memancarkan gelombang gravitasi, yang dengannya energi dan momen rotasi diangkut dari sistem. Fragmen nukleus bersatu, sehingga momen perpindahan massa terjadi: komponen yang lebih ringan mulai membuang zat ke yang lebih berat, melanjutkan rotasi. Ketika massa komponen cahaya menjadi sekitar 10% dari matahari, ia menjadi tidak stabil dan meledak, dan yang lebih berat runtuh, mungkin sesuai dengan skenario standar (saat ini secara pribadi selalu tampak bagi saya peregangan besar di seluruh model).

Terlepas dari kenyataan bahwa kepadatan materi di inti bintang di kedua skenario - collapsar yang berputar dan yang standar - dekat dengan nuklir, dalam kasus kedua suhu di pusat inti adalah dua kali lipat lebih tinggi. Karena itu, neutrino terlahir dengan energi yang agak tinggi - 100-200 MeV, tetapi pada kepadatan materi ini, neutrino bahkan akan berinteraksi berulang kali. Hamburan dan reradiating, neutrino dari semua jenis dengan energi 10-20 MeV muncul ke permukaan. Karena suhunya yang rendah, dalam collapsar yang berputar, reaksi utama pembentukan neutrino adalah "mendorong" elektron menjadi proton:

e ^- + p → n + ν _e

Energi neutrino dalam hal ini akan menjadi sekitar 30-40 MeV, jumlah zat yang perlu diatasi neutrino dekat arah kutub jauh lebih sedikit. Neutrino serupa dapat mencapai permukaan bintang tanpa interaksi, mempertahankan energi mereka 30-40 MeV.

Untuk mendeteksi neutrino elektron yang dipancarkan selama wabah pertama, nuklei seperti deuterium, karbon, dan elemen kaya neutron berat seperti besi, timah, dan lainnya sangat cocok. Sejumlah elemen seperti itu hanya ada di LSD (BPST juga memasukkan zat besi, tetapi jumlahnya relatif kecil dan dalam konfigurasi yang tidak begitu berhasil). Dengan demikian, pengaturan ini ternyata menjadi satu-satunya yang dapat dipercaya “melihat” sesuatu selama flash pertama. Interaksi neutrino dengan oksigen yang terkandung dalam formula air juga akan memberikan beberapa peristiwa (itu memang terjadi, tetapi tim Kamiokande II tidak mengiklankannya), tetapi jauh lebih sedikit daripada zat besi, jika kita menghitung efek per satuan massa.

Faktanya adalah bahwa sebagai hasil dari interaksi neutrino elektron dengan besi, kobalt dan elektron terbentuk.

ν _e + ⁵⁶ Fe → e ^- + ⁵⁶ Co ^*

Inti kobalt-56 (karena alasan nuklir murni) selalu lahir dalam keadaan bersemangat, bukan dasar. Eksitasi ini dihapus oleh emisi satu atau lebih sinar gamma. Dan jika elektron yang dilahirkan dalam besi mungkin tidak keluar darinya, maka sinar gamma netral (dengan energi karakteristik 1,7, 1,8, 4, atau 7 MeV) memiliki daya tembus yang lebih besar dan hampir pasti akan jatuh ke dalam lapisan kilau.


Skema interaksi neutrino dengan zat besi dalam detektor kilau LSD.

Spektrum energi dalam scintillator akan dijelaskan oleh rumus dE / E dengan maksimum tambahan sekitar 7 MeV. Kontribusi utama untuk itu akan dibuat oleh sinar gamma dari penghapusan eksitasi kobalt dan sinar gamma yang dihasilkan oleh elektron sebagai akibat dari penghambatannya dalam zat besi.

Tampaknya teka-teki Supernova 1987A diselesaikan dengan menggunakan model collapsar berputar. Olga Georgievna Ryazhskaya, siswa lain Zatsepin, yang sebenarnya bertanggung jawab atas eksperimen LSD Soviet, berbicara di beberapa konferensi dengan Imshennik yang berusaha meyakinkan dunia penemuan (sepertinya bagi saya bahwa skalanya menarik Hadiah Nobel). Namun, ketidakpercayaan komunitas ilmiah terhadap hasil lama dari percobaan LSD begitu besar (memang, "seperti nama kapal, itu akan melayang"), dan waktu hilang (itu mungkin untuk membandingkan data eksperimental dengan perhitungan hanya pada awal 2000-an, setelah 15 tahun setelah wabah itu sendiri), jadi penjelasan ini tidak mendapat pengakuan luas. Hanya di Rusia saja beberapa teori yang lebih bersaing dikembangkan yang mengklaim untuk menjelaskan mekanisme ledakan supernova dan generasi neutrino. Dengan tidak adanya bukti eksperimental, semua teori ini tetap menjadi model atau, jika Anda suka, tidak lebih dari hipotesis.

Satu-satunya kesimpulan yang dapat ditarik dari cerita ini pasti adalah kebutuhan untuk membangun perangkat tersebut yang dapat merekam tidak hanya interaksi "antineutrino elektron" yang diakui secara universal dengan proton, tetapi interaksi semua jenis neutrino. Untuk ini, tidak hanya detektor Cherenkov yang menggunakan air, atau instalasi kilau murni dibutuhkan, tetapi juga diinginkan untuk memiliki konfigurasi seluler - semacam kalorimeter neutrino dengan kemampuan mengukur energi - menggunakan elemen berat seperti besi atau timah.


LVD Karena kurangnya ruang di tambang, ia selalu difoto dari satu sudut dan hanya ketika tidak ada instalasi lain di depannya

Instalasi serupa adalah penerus percobaan LSD - detektor LVD (Large Volume Detector), yang terletak di ruang yang berdekatan dengan laboratorium bawah tanah Borexino di Gran Sasso di Apennines Italia. Isinya sekitar 1000 ton sintilator yang sama dan jumlah besi yang sama dengan modul penahan beban dan dapat berhasil merekam hingga 1000 peristiwa neutrino murni jika terjadi wabah Supernova di pusat Galaksi kita. Sayangnya, fenomena ini cukup langka, dan selama bertahun-tahun kerjanya (pada tahun 2001 itu benar-benar dibangun, tetapi pengamatan dimulai beberapa tahun sebelumnya) sampai hari ini ia tidak beruntung. Saya menulisnya dalam bentuk lampau, karena, sayangnya, tahun depan akan direncanakan untuk dinonaktifkan. Mungkin umat manusia akan selamanya kehilangan kesempatan untuk memecahkan salah satu misteri alam semesta.

Tapi saya masih percaya yang terbaik.