Enigma de um neutrino de Supernova 1987A

Supernova 1987A: durante e antes do surto

Não faz muito tempo, houve um bom artigo de Bars21 sobre neutrinos de supernovas . Gostei muito, e alguns momentos (por exemplo, sobre o processo urka) levaram ao fato de não apenas lermos ou ouvirmos os mesmos professores, mas talvez nos conhecêssemos pessoalmente :)

Um dos parágrafos deste artigo (para uma melhor compreensão do que será dito no futuro, recomendo relê-lo) foi dedicado ao registro de neutrinos da Supernova 1987A, e gostaria de complementar este momento. O fato é que os detectores que detectaram a explosão de neutrinos não eram 3, mas 4, e houve 2 explosões, mas praticamente nada se sabe sobre isso, mesmo para especialistas, sem mencionar o público em geral. É ainda mais ofensivo que os cientistas russos (ou soviéticos, como você queira) tenham desempenhado um papel significativo nessa descoberta (porém, é uma descoberta?).

E foi assim.

Em 1984, foram construídas as forças da colaboração soviético-italiana liderada pelo acadêmico Georgy Timofeevich Zatsepin (mencionado no artigo original de seu aluno Vadim Alekseevich Kuzmin, por todos os seus méritos, não foi o pioneiro nesse campo) no túnel entre a França e a Itália sob o Monte Branco. Detector de cintilação líquida (LSD).


A abreviação, ahem, levou muitos a todos os tipos de pensamentos frívolos, mas quando perguntei sobre isso, o professor da Universidade de Turim Piero Galeotti, que foi creditado com a autoria do nome, ele de alguma forma brincou brincando.


O circuito detector e a principal reação antineutrina subjacente à sua operação (aquela que era esperada durante a construção)

O detector continha 72 contadores de cintilação medindo 1 * 1 * 1,5 m em recipientes de ferro. Um cintilador é uma substância, geralmente à base de produtos petrolíferos (no nosso caso, era um espírito branco), no qual partículas carregadas geram flashes de luz que são capturados por multiplicadores fotoeletrônicos. Como um escudo contra a radioatividade externa, folhas de ferro foram colocadas em todos os lados da instalação, de modo que aproximadamente 200 toneladas de ferro foram produzidas por 90 toneladas de cintilador. Inicialmente, o principal objetivo da instalação era buscar radiação de neutrinos nas supernovas.

Em 23 de fevereiro de 1987, às 2:52 UTC (5 horas antes do KII, IMB e BUSTs mencionados em Bars21 ), o detector LSD registrou o sinal esperado: 5 eventos com liberação de energia de 6 a 11 MeV, muito semelhantes às interações de neutrinos por 7 segundos.




A impressão que a equipe descobriu na manhã de 23 de fevereiro de 1987 e a própria equipe

Às 7:36 UTC, o LSD, juntamente com outros três detectores, registrou mais 2 eventos semelhantes com uma liberação de energia de 8 a 9 MeV. Durante o primeiro sinal no LSD, duas antenas gravitacionais foram acionadas em Roma e Maryland (EUA), que eram cilindros maciços suspensos em linhas finas. Monstros como as atuais instalações LIGO ou Virgo ainda não foram construídos. E em Kamiokand II, também foi registrado um sinal composto por dois eventos.


Nova cronologia;)

Mas como um grande detector contendo mais de 2000 toneladas de água pode "perder" o número de eventos em uma pequena instalação com 90 toneladas de substância ativa - um cintilador? E de onde veio o segundo conjunto de eventos? O que aconteceu não se encaixou tanto na teoria do colapso estelar padrão que o sinal gravado pelo LSD foi explicado por um evento aleatório em segundo plano (um semelhante, no entanto, não foi observado durante toda a operação da instalação, até 1999), e preferiu esquecê-lo. Provavelmente, a lentidão tradicional dos cientistas soviéticos, que procuravam checar tudo no momento em que era necessário forjar o ferro, enquanto estava quente, também foi afetada.

Aqui é necessário investigar um pouco as condições sob as quais o modelo de recolhimento padrão é válido. De fato, este é um “cavalo esférico no vácuo” literal: uma estrela não deve girar, ter um campo magnético, mas ser esférica simétrica. Nos anos em que esse modelo foi desenvolvido, sistemas de equações diferenciais com condições de contorno mais complexas, eu suspeito, simplesmente não puderam ser resolvidos - nem numericamente. No entanto, neste modelo, ninguém foi capaz de obter um despejo da concha da estrela, que perceberemos como um flash de supernova.


Imagem astrofísica famosa do restante SN1987A

Mas, na realidade, as estrelas não são de todo esféricas simétricas e, em regra, elas giram. Mesmo as imagens modernas do remanescente da Supernova 1987A não são de modo algum uma imagem esférica simétrica. Portanto, há todas as razões para acreditar que, na natureza, o surto da Supernova ocorre devido a alguns processos mais complexos. Mas quais?

Em 1995, Vladimir Sergeyevich Imshennik, com a ajuda de Dmitry Konstantinovich Nadezhin, terminou de desenvolver um modelo, que ele chamou de teoria do colapso rotativo. Sua essência é a seguinte.

Se o núcleo de ferro da estrela (e sabemos que as estrelas produzem átomos de hidrogênio do hélio ao ferro, a formação de núcleos mais pesados ​​é energeticamente desvantajosa) gira no limiar da compressão gravitacional, causada pela "herança" da rotação de toda a estrela e pela lei da conservação do torque , a partir dos cálculos segue-se que o período de sua rotação é um milésimo de segundo. Naturalmente, o núcleo é achatado na direção axial e ocorre instabilidade. Um haltere surge de um disco achatado, que é rasgado em pedaços (no caso mais simples, em dois). Nesse momento, são emitidos principalmente neutrinos de elétrons (e não neutrinos de todos os tipos, como segue no modelo padrão de colapso).

O sistema binário começa a girar em torno de um centro de massa comum, emitindo ativamente ondas gravitacionais, devido às quais a energia e o momento da rotação são transportados para longe do sistema. Os fragmentos do núcleo se juntam, de modo que chega o momento da transferência de massa: o componente mais leve começa a despejar a substância no mais pesado, continuando a rotação. Quando a massa do componente de luz se torna cerca de 10% da energia solar, ela se torna instável e explode, e a mais pesada entra em colapso, presumivelmente de acordo com o cenário padrão (esse momento pessoalmente sempre me pareceu uma grande extensão em todo o modelo).

Apesar do fato de que a densidade da matéria no núcleo da estrela em ambos os cenários - um colapsar rotativo e um padrão - é próxima da nuclear, no segundo caso, a temperatura no centro do núcleo é duas ordens de magnitude maior. Por causa disso, os neutrinos nascem com energias bastante altas - 100-200 MeV, mas nessa densidade de matéria, até os neutrinos irão interagir repetidamente. Espalhando e radiando, neutrinos de todos os tipos, com energias de 10 a 20 MeV, vêm à superfície. Devido à baixa temperatura, no colapsar rotativo, a principal reação da formação de neutrinos é o "empurrão" dos elétrons para os prótons:

e ^- + p → n + v _e

A energia de neutrino neste caso será de aproximadamente 30 - 40 MeV, a quantidade de substância que o neutrino precisa ser superado perto das direções polares é muito menor. Neutrinos semelhantes podem alcançar a superfície de uma estrela sem interação, mantendo sua energia de 30 a 40 MeV.

Para detectar neutrinos de elétrons emitidos durante o primeiro surto, núcleos como deutério, carbono e elementos ricos em nêutrons pesados ​​como ferro, chumbo e outros são adequados. Um número suficiente desses elementos existia apenas no LSD (o BPST também incluía ferro, mas ali era relativamente pequeno e em uma configuração não tão bem-sucedida). Portanto, essa configuração acabou sendo a única que pôde "ver" algo de forma confiável durante o primeiro flash. A interação dos neutrinos com o oxigênio contido na fórmula da água também daria vários eventos (sim, mas a equipe Kamiokande II não o divulgou), mas muito menos que o ferro, se contarmos o efeito por unidade de massa.

O fato é que, como resultado da interação de um neutrino eletrônico com ferro, cobalto e elétron são formados.

ν _e + ⁵⁶ Fe → e ^- + ⁵⁶ Co ^*

O núcleo do cobalto-56 (devido a razões puramente nucleares) sempre nasce em um estado excitado, e não básico. Essa excitação é removida pela emissão de um ou mais raios gama. E se os elétrons nascidos no ferro não saírem dele, os raios gama neutros (com energias características de 1,7, 1,8, 4 ou 7 MeV) terão maior poder de penetração e certamente cairão na camada de cintilação.


Esquema de interação de neutrinos com ferro em um detector de cintilação de LSD.

O espectro de energia no cintilador será descrito pela fórmula dE / E com um máximo adicional de cerca de 7 MeV. A principal contribuição para isso será feita pelos raios gama da remoção da excitação de cobalto e dos raios gama gerados por um elétron, como resultado de sua inibição no ferro.

Parecia que o enigma da Supernova 1987A foi resolvido usando o modelo de um colapsar rotativo. Olga Georgievna Ryazhskaya, outra estudante de Zatsepin, que na verdade foi responsável pelo experimento soviético com LSD, falou em várias conferências com Imshennik tentando convencer o mundo da descoberta (parece-me que sua escala levou ao Prêmio Nobel). No entanto, a desconfiança da comunidade científica com o resultado de longa data do experimento com LSD foi tão grande (de fato, "como você chama o iate, ele flutua") e o tempo foi perdido (foi possível comparar os dados experimentais com o cálculo apenas no início dos anos 2000, após 15 anos após o surto em si), então essa explicação não recebeu amplo reconhecimento. Somente na Rússia foram desenvolvidas várias teorias concorrentes que afirmavam explicar o mecanismo das explosões de supernovas e a geração de neutrinos. Na ausência de evidências experimentais, todas essas teorias permaneceram modelos ou, se você preferir, nada mais que hipóteses.

A única conclusão que pode ser extraída dessa história com certeza é a necessidade de construir dispositivos que possam registrar não apenas a interação "universalmente reconhecida" do antineutrino de elétrons com o próton, mas a interação de todos os tipos de neutrinos. Para isso, não são necessários apenas os detectores Cherenkov que usam água ou instalações de cintilação, mas é desejável ter uma configuração celular - algum tipo de calorímetro de neutrino com capacidade de medir energia - usando elementos pesados ​​como ferro ou chumbo.


LVD Por falta de espaço na mina, ele sempre foi fotografado de um ângulo e somente quando não havia outra instalação à sua frente

Uma instalação semelhante foi a sucessora do experimento LSD - o detector LVD (Large Volume Detector), localizado no corredor ao lado do laboratório subterrâneo Borexino de Gran Sasso, nos Apeninos italianos. Continha cerca de 1000 toneladas do mesmo cintilador e a mesma quantidade de ferro que os módulos de suporte de carga e poderia gravar com êxito até 1000 eventos puramente de neutrinos no caso de um surto de Supernova no centro de nossa galáxia. Infelizmente, esse fenômeno é bastante raro e, ao longo dos anos de seu trabalho (em 2001, foi completamente construído, mas as observações começaram vários anos antes) até hoje, ele não teve sorte. Escrevo sobre isso no passado, porque, infelizmente, no próximo ano será planejado ser desativado. Talvez a humanidade sempre perca a oportunidade de resolver um dos mistérios do universo.

Mas ainda acredito no melhor.