Εκατοντάδες μέτρα κάτω από την επιφάνεια της Γης, οι φυσικοί κατέγραψαν για πρώτη φορά ένα φαινόμενο που αγγίζει τα όρια της μαγείας: ηλιακά νετρίνα «συνελήφθησαν» να μετατρέπουν άτομα άνθρακα σε άζωτο, επιβεβαιώνοντας πως ο Ήλιος έχει τη δύναμη να αλλάζει τη χημική σύσταση της ύλης στον πλανήτη μας.
Γνωστά και ως «σωματίδια φαντάσματα», τα νετρίνα διαπερνούν τα πάντα —τον πλανήτη μας, τα κτίρια, ακόμη και το ίδιο μας το σώμα— κατά τρισεκατομμύρια κάθε δευτερόλεπτο, χωρίς να αφήνουν το παραμικρό ίχνος. Ή τουλάχιστον, έτσι νομίζαμε μέχρι πρόσφατα.
Ερευνητές στο υπόγειο εργαστήριο SNOLAB στον Καναδά κατάφεραν να παρατηρήσουν απευθείας μια σπάνια πυρηνική αντίδραση: τη στιγμή που ένα νετρίνο, ταξιδεύοντας από την «καρδιά» του Ήλιου, χτυπά έναν πυρήνα άνθρακα και τον μεταστοιχειώνει σε άζωτο. Είναι η πρώτη φορά που γινόμαστε μάρτυρες αυτής της «κοσμικής αλχημείας» σε πραγματικό χρόνο.
Στα άδυτα του SNOLAB: Κυνηγώντας το αόρατο
Η ιστορία μας εκτυλίσσεται στα έγκατα της γης, στο Σαντμπέρι του Οντάριο. Εκεί, προστατευμένο από την κοσμική ακτινοβολία που βομβαρδίζει την επιφάνεια, βρίσκεται το πείραμα SNO+ (Sudbury Neutrino Observatory). Πρόκειται για έναν γιγαντιαίο ανιχνευτή γεμάτο με υγρό σπινθηριστή, σχεδιασμένο να «βλέπει» τις αμυδρές αναλαμπές που προκαλούνται όταν ένα νετρίνο αποφασίσει να αλληλεπιδράσει με την ύλη.
Ο όρος «αλχημεία» στον τίτλο δεν είναι απλώς ένα σχήμα λόγου. Στον Μεσαίωνα, οι αλχημιστές ονειρεύονταν τη μετατροπή ευτελών μετάλλων σε χρυσό. Σήμερα, η φύση αποδεικνύει ότι κάνει κάτι παρόμοιο, αλλά σε υποατομικό επίπεδο.
Συγκεκριμένα, οι επιστήμονες εστίασαν σε μια σπάνια αλληλεπίδραση όπου ένα ηλιακό νετρίνο ηλεκτρονίου προσκρούει σε έναν πυρήνα Άνθρακα-13 (13C). Η σύγκρουση αυτή είναι βίαιη και μεταμορφωτική: ο πυρήνας του άνθρακα απορροφά το νετρίνο, εκπέμπει ένα ηλεκτρόνιο και μετατρέπεται σε ένα ασταθές ισότοπο Αζώτου-13 (13N).
Η υπογραφή της μεταστοιχείωσης
Το να εντοπίσεις αυτή την αντίδραση είναι σαν να ψάχνεις ψύλλο στα άχυρα, ενώ τα άχυρα καίγονται. Τα νετρίνα σπάνια αλληλεπιδρούν με την ύλη. Ωστόσο, η ομάδα του SNO+ είχε έναν «άσσο» στο μανίκι της: τη χαρακτηριστική υπογραφή της αντίδρασης.
Όταν το νετρίνο χτυπά τον άνθρακα, παράγεται αρχικά μια λάμψη από το ηλεκτρόνιο. Επειδή όμως το παραγόμενο Άζωτο-13 είναι ασταθές, διασπάται ξανά μετά από περίπου 10 λεπτά, εκπέμποντας ένα ποζιτρόνιο (το αντισωματίδιο του ηλεκτρονίου) και ένα νετρίνο. Αυτή η δεύτερη διάσπαση παράγει μια δεύτερη λάμψη.
Οι ερευνητές, λοιπόν, δεν έψαχναν απλώς για ένα σήμα, αλλά για μια πολύ συγκεκριμένη χρονοσειρά γεγονότων: μια λάμψη, ακολουθούμενη από μια δεύτερη λάμψη περίπου δέκα λεπτά αργότερα, στο ίδιο ακριβώς σημείο του ανιχνευτή.
Τα δεδομένα που μιλούν
Μετά από 231 ημέρες συνεχούς παρατήρησης και συλλογής δεδομένων, η ομάδα εντόπισε 60 υποψήφια συμβάντα. Εφαρμόζοντας αυστηρά στατιστικά μοντέλα για να αφαιρέσουν τον «θόρυβο» από τη φυσική ραδιενέργεια του περιβάλλοντος, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι είχαν καταγράψει περίπου 5,6 καθαρά περιστατικά μεταστοιχείωσης άνθρακα σε άζωτο.
Ο αριθμός αυτός μπορεί να φαντάζει μικροσκοπικός, αλλά στον κόσμο της σωματιδιακής φυσικής είναι ένας θρίαμβος. Είναι εξαιρετικά κοντά στην θεωρητική πρόβλεψη των 4,7 συμβάντων, γεγονός που επιβεβαιώνει με πανηγυρικό τρόπο τα μοντέλα μας για το πώς λειτουργεί ο Ήλιος και πώς συμπεριφέρονται τα νετρίνα.
«Η καταγραφή αυτής της αλληλεπίδρασης είναι ένα εξαιρετικό επίτευγμα», δηλώνει ο φυσικός Milind Diwan, μέλος της ερευνητικής ομάδας. «Παρά τη σπανιότητα του ισοτόπου του άνθρακα, μπορέσαμε να παρατηρήσουμε την αλληλεπίδρασή του με νετρίνα που γεννήθηκαν στον πυρήνα του Ήλιου και ταξίδεψαν τεράστιες αποστάσεις».
Γιατί αυτό είναι σημαντικό;
Η σημασία της ανακάλυψης ξεπερνά την απλή επιβεβαίωση της θεωρίας. Αποδεικνύει ότι τα νετρίνα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εργαλείο. Μέχρι τώρα, τα μελετούσαμε για να καταλάβουμε τα ίδια. Πλέον, όπως αναφέρουν οι ερευνητές, μπορούμε να τα χρησιμοποιήσουμε ως μια «δέσμη ελέγχου» για να μελετήσουμε σπάνιες πυρηνικές αντιδράσεις που είναι αδύνατον να αναπαραχθούν με άλλους τρόπους στο εργαστήριο.
Επιπλέον, η μελέτη αυτή ανοίγει τον δρόμο για βαθύτερη κατανόηση του λεγόμενου κύκλου CNO (Άνθρακας-Άζωτο-Οξυγόνο), του μηχανισμού που τροφοδοτεί με ενέργεια τα άστρα που είναι μεγαλύτερα από τον δικό μας Ήλιο.
