Ya introdujimos la pregunta de “cómo brilla el sol” en el artículo de hace unos días. Sabemos que la fusión nuclear solar fue propuesta por primera vez por Arthur Eddington y perfeccionada por Hans Bethe, lo que teóricamente explica por qué el sol tiene una vida larga y sus principios de funcionamiento internos.
Pero. . ¿O sientes que falta algo? Sí, esa es evidencia directa.
Aunque es casi un hecho seguro que "el sol realiza una fusión nuclear", los científicos aún esperan obtener pruebas más concluyentes. Así que centré mi atención en la enorme cantidad de neutrinos que se producen en el interior del sol.
En el primer artículo de divulgación científica, mencionábamos que la reacción de fusión nuclear dentro del sol liberaría neutrinos y fotones, y también usábamos términos como "el hombre invisible del universo" y "personalidad insociable" Describir el neutrino; para el fotón, la descripción es exactamente la contraria, llamándolo "mariposa social". La razón por la que se utilizan estas metáforas está determinada por los tipos de interacciones en las que pueden participar. Los fotones participan en interacciones electromagnéticas, mientras que los neutrinos participan en interacciones débiles (ambos participan en interacciones gravitacionales).
Se necesita un tiempo extremadamente largo (decenas de miles o incluso cientos de miles de años) para que los fotones partan del interior y finalmente lleguen a la superficie del sol, pero los neutrinos son diferentes, consumen energía a velocidad; a una velocidad ligeramente inferior a la de la luz, tarda poco más de dos segundos, pasa directamente por el sol con un radio de unos 700.000 kilómetros y finalmente llega a la Tierra al cabo de unos minutos. Se puede decir que los neutrinos son relativamente "frescos" y, en algunos aspectos, los neutrinos también pueden proporcionarnos información de primera mano sobre el Sol. (Para mantenerme en línea con el tema del artículo, no entraré en detalles sobre las historias "interesantes" que sucedieron durante la "proposición de neutrinos". Escribiré un artículo aparte cuando tenga tiempo en el futuro)
Así que aquí viene la pregunta, ya que ahora queremos capturar neutrinos para confirmar el hecho de la fusión nuclear solar. Primero necesitamos saber ¿cuántos neutrinos hay?
Este problema no es difícil. Según estimaciones teóricas, el sol puede producir casi dos billones de billones de billones de neutrinos por segundo, lo que es 10 elevado a 38. Esto es bastante aterrador. Estos neutrinos se propagan, incluso si se irradian a una capa esférica con un radio de 150 millones de kilómetros, el flujo por centímetro cuadrado sigue siendo de más de 60 mil millones, lo que se convierte en un área lateral para un adulto (media). tamaño, 0,4*1,7 metros) equivale a que te penetren más de 400 billones de neutrinos por segundo.
(Pero como se mencionó anteriormente, es extremadamente difícil que los neutrinos interactúen con la materia, por lo que no hay necesidad de preocuparse por si los neutrinos nos quitarán la vida algún día)
Ahora que Se ha determinado que el número de neutrinos es muy grande, surge nuevamente la pregunta ¿cómo capturarlos? Frente a los neutrinos, incluso un gigante como la Tierra pasará directamente a través, y la probabilidad de ser bloqueado es extremadamente pequeña (incluso si el diámetro de la Tierra aumenta a un año luz, los neutrinos no mirarán directamente). .
No hay manera, porque los neutrinos sólo favorecen las interacciones débiles (el factor gravitacional de la Tierra o el Sol puede ignorarse), por lo que capturarlos sólo puede depender de interacciones débiles. Afortunadamente, es extremadamente difícil interactuar con la materia, lo que significa que todavía existe la posibilidad de ser capturado. Al igual que cuando compras un billete de lotería, la probabilidad de ganar una vez no es alta. Luego inténtalo unas cuantas veces más o llama a tus familiares y amigos. Cuanta más gente, mejor, si todos compran juntos, la probabilidad de ganar será. más alto. Por eso, los científicos se propusieron encontrar sustancias que pudieran permitir a los neutrinos dejar rastros a través de interacciones débiles y usarse en grandes cantidades.
Pronto, los científicos se centraron en el isótopo del cloro, cloro-37, porque una vez que un neutrino entra en contacto cercano con él, se producirá argón-37, por lo que podemos usar métodos de detección para llenarlo. Avance: Si se encuentra elemento argón en el dispositivo de cloro, ¿no significa eso que hay una reacción de neutrinos? (La reacción interna es la combinación de neutrinos y neutrones en el átomo de cloro-37 para generar protones y electrones, lo que hace que el cloro-37 se convierta en argón-37)
Ahora que se ha encontrado el principio, el siguiente El paso es comenzar el experimento.
Así, en la década de 1950, el físico estadounidense Raymond Davis (1914-2006) fue el primero en iniciar experimentos, pero los resultados finales fueron contradictorios. La buena noticia es que realmente se detectó el elemento argón (lo que significa que se detectó un elemento). el neutrino lo golpeó), pero la preocupación es: la cantidad es demasiado pequeña, ni siquiera la mitad del valor teórico.
¿Qué está pasando? Echemos un vistazo a experimentos relacionados realizados por otros científicos. ¿Serán mejores los resultados? Sin embargo, la situación no cambió mucho hasta la década de 1990 (es decir, han pasado casi cuarenta años), los resultados experimentales en varios lugares estaban lejos de los valores teóricos. Entonces la pregunta es: ¿adónde fueron los neutrinos desaparecidos? Este es el famoso "misterio del neutrino solar desaparecido"
Aunque experimentos realizados en varios lugares pueden demostrar que el Sol emite neutrinos, han pasado décadas y los datos experimentales aún no coinciden con la teoría que hace la gente. Incluso los fundamentos teóricos originales, como la forma y la ubicación de la fusión nuclear en el Sol, están a punto de sufrir revisiones drásticas.
Pero al final los científicos encontraron el problema. Después de constantes especulaciones y volcamientos, y luego volcados una y otra vez, el objetivo finalmente apuntó al neutrino mismo, preguntándose si el neutrino habría sufrido una conversión de tipo durante el vuelo (este fenómeno se llama "oscilación de neutrino"), de modo que los experimentos anteriores dirigidos a la detección de neutrinos electrónicos terminó en un fracaso. (Hay tres tipos de neutrinos: neutrinos electrónicos, neutrinos muónicos y neutrinos tau)
Si se puede demostrar que los neutrinos efectivamente han sufrido una conversión de tipo, entonces podría explicar lo anterior. Situación que ocurrió durante el experimento. Y una vez que esto se confirme, la teoría original que describe el sol no necesita ser revisada significativamente. Se puede decir que mata dos pájaros de un tiro.
Entonces, ¿cómo modificar los neutrinos? Los científicos han encontrado un gran avance en la teoría: para que se produzca la oscilación de los neutrinos, los neutrinos deben tener masa. Antes de esto, los científicos siempre habían tratado a los neutrinos como si no tuvieran masa en reposo (esto es similar a los fotones).
Entonces los científicos comenzaron a buscar evidencia de la existencia de la oscilación de neutrinos, y este importante resultado fue confirmado por primera vez por el detector Super-Kamiokande de Japón en 1998.
(También aquí Un punto adicional : El principio de este detector es muy diferente del principio de utilizar la transformación de elementos para capturar neutrinos. Contiene una solución especial o agua de alta pureza. El principio es utilizar neutrinos y electrones. Los electrones aumentan y la velocidad de algunos electrones después de ser energizados puede incluso exceder la velocidad de la luz en el agua. Hablando de esto, muchos amigos pueden saber cuál es la siguiente oración. Sí, es la radiación de Cherenkov. luz, por lo que este detector determina la captura de neutrinos al detectar la radiación de Cherenkov)
Y la información obtenida a través de la captura de esta manera es muy importante, puede obtener más que el método de transformación de elementos. conocer el momento de la captura, la ubicación e incluso la dirección (esta es una prueba más de que los neutrinos son emitidos por el sol).
Sin embargo, es de lamentar la oscilación de neutrinos confirmada por el detector Kamiokande, porque no se trata de un neutrino procedente del Sol, sino de un neutrino que vuela desde otra parte del universo.
Entonces, ¿quién ganará el gran premio por resolver finalmente el misterio de los neutrinos solares desaparecidos?
Este tipo afortunado es el Observatorio de Neutrinos de Sudbury en Canadá. Se ha actualizado sobre la base del detector Kamiokande. Utiliza "agua pesada" en su interior, simplemente reemplazando el "agua", pero los resultados son completamente. diferente No sólo puede detectar tres tipos de neutrinos, sino que también tiene un "cuidado" especial con los neutrinos electrónicos. El resultado final es que los datos experimentales no sólo cumplen con los valores teóricos, sino que también verifican la oscilación de los neutrinos. en 2001.
Al final, el Premio Nobel de Física de 2015 lo compartieron la japonesa Kajita Takaaki y el canadiense Arthur MacDonald.
Desde la década de 1950 hasta 2001, pasó medio siglo. ¡El misterio de los neutrinos solares desaparecidos finalmente se ha resuelto y se ha confirmado firmemente que "la fusión nuclear ocurre dentro del sol"!
Esto concluye este artículo.
¡Gracias por leer!
Continuaremos actualizando artículos extensos de divulgación científica cuidadosamente preparados en el futuro.