Experimentul Homestake, pentru neutrinii emiși în fuziunea nucleară a Soarelui

(Rezervorul subteran al experimentului Homestake atunci când bazinul din jurul rezervorului nu era încă inundat.)

Experimentul Homestake (denumit uneori experimentul Davis și în literatura originală numit Brookhaven Solar Neutrino Experiment sau Brookhaven ³⁷Cl (Clor) Experiment) a fost un experiment condus de astrofizicienii Raymond Davis, Jr. și John N. Bahcall la sfârșitul anilor 1960. Scopul său a fost să colecteze și să numere neutrinii emiși de fuziunea nucleară care are loc în Soare. Bahcall a efectuat calculele teoretice și Davis a proiectat experimentul. După ce Bahcall a calculat rata la care detectorul ar trebui să capteze neutrini, experimentul lui Davis a prezentat doar o treime din această cifră. Experimentul a fost primul care a detectat și numărat cu succes neutrinii solari, iar discrepanța dintre rezultate a creat problema neutrinilor solari. Experimentul a funcționat continuu din 1970 până în 1994. Universitatea din Pennsylvania l-a preluat în 1984. Discrepanța dintre ratele prevăzute și măsurate de detectare a neutrinilor s-a constatat ulterior că se datorează oscilațiilor „aromelor” ale neutrinilor.

(Configurarea experimentului în mina Homestake.)

Metodologie

Experimentul a avut loc în Mina de Aur Homestake din Lead, Dakota de Sud. Davis a plasat un rezervor de percloretilenă de 380 de metri cubi, un fluid obișnuit de curățare uscată, la 1.478 de metri sub pământ. O mare țintă adâncă subterană a fost necesară pentru a preveni interferența de la razele cosmice, luând în considerare probabilitatea foarte mică a unei capturi cu succes de neutrini și, prin urmare, rata de efect foarte scăzută chiar și cu masa uriașă a țintei. S-a ales percloretilena deoarece este bogată în clor. La interacțiunea cu un neutrino de electroni, un atom de ³⁷Cl se transformă într-un izotop radioactiv de ³⁷Ar, care poate fi apoi extras și numărat. Reacția captării neutrino este

ν_e + ³⁷Cl → ³⁷Ar + e^–.

Pragul de reacție este de 0,814 MeV, adică neutrino ar trebui să aibă cel puțin această energie pentru a fi captat de nucleul ³⁷Cl.

Deoarece ³⁷Ar are un timp de înjumătățire de 35 de zile, la fiecare câteva săptămâni, Davis a barbotat heliu prin rezervor pentru a colecta argonul care s-a format. Un mic contor de gaz (câțiva cm cubi) a fost umplut de câțiva zeci de atomi colectați de ³⁷Ar (împreună cu argonul stabil) pentru a detecta dezintegrările sale. Astfel, Davis a reușit să determine câți neutrini fuseseră capturați.

Concluzii

Valorile lui Davis erau în mod constant foarte apropiate de o treime din calculele lui Bahcall. Primul răspuns al comunității științifice a fost că fie Bahcall, fie Davis au făcut o greșeală. Calculele lui Bahcall au fost verificate în mod repetat, fără a se găsi erori. Davis și-a analizat propriul experiment și a insistat că nu este nimic în neregulă cu acesta. Experimentul Homestake a fost urmat de alte experimente cu același scop, precum Kamiokande în Japonia, SAGE în fosta Uniune Sovietică, GALLEX în Italia, Super Kamiokande, tot în Japonia și SNO (Observatorul Neutrino Sudbury) din Ontario, Canada. SNO a fost primul detector capabil să detecteze oscilația neutrino, rezolvând problema cu neutrinii solari. Rezultatele experimentului, publicate în 2001, au dezvăluit că dintre cele trei „arome” între care neutrinii sunt capabili să oscileze, detectorul Davis a fost sensibil la doar unul. După ce s-a dovedit că experimentul său a fost solid, Davis a împărtășit Premiul Nobel pentru fizică din 2002. Printre cei care au primit premiul s-a numărat Masatoshi Koshiba din Japonia, care a lucrat la Kamiokande și Super Kamiokande.