De zon straalt licht en warmte uit dankzij de kernfusieacties die in haar binnenste plaatsvinden. Heel af en toe verlopen die reacties via de zogeheten koolstof-stikstofcyclus. Dankzij een extreem schone detector en veel geduld hebben fysici nu – voor het eerst – neutrino’s gedetecteerd die geproduceerd zijn tijdens die zeldzame reacties.
Bij de kernfusiereacties in de zon smelten waterstofkernen samen tot helium. Hierbij komt veel energie vrij, onder meer in de vorm van licht en warmte. Verreweg de meeste energie wordt opgewekt met de zogeheten proton-protoncyclus, waarbij vier waterstofkernen in drie stappen worden omgezet in helium.
Daarnaast is er de koolstof-stikstof- of CNO-cyclus, die voor slechts 1 procent van de energieproductie zorgt. Netto worden bij deze fusiereacties nog steeds vier waterstofkernen omgezet in een heliumkern. Maar in dit geval verloopt de reactie in ongeveer zes stappen en dansen er koolstof-, stikstof- en zuurstofatomen doorheen. Deze zwaardere atomen dienen als een soort katalysatoren die assisteren tijdens de reactie.
Sjezende spookdeeltjes
Bij beide kernfusieacties worden neutrino’s geproduceerd. Deze spookachtige deeltjes met nauwelijks massa schieten overal met bijna de lichtsnelheid doorheen Ze botsen zelden op atomen of andere deeltjes en vliegen daardoor met gemak ongemerkt door sterren en planeten – en dus ook door de aarde.
Deze eigenschappen maakt het lastig om neutrino’s te detecteren. Fysici gebruiken daarom enorme tanks gevuld met detectiemateriaal. Heel af en toe zal een neutrino botsten met een atoom in dat materiaal. Dan ontstaat er een klein lichtflitsje dat is te meten met extreem gevoelige lichtdetectoren.
Met deze techniek worden al decennia lang neutrino’s waargenomen die ontstaan bij de proton-protoncyclus in de zon. Maar de veel zeldzamere neutrino’s van de koolstof-stikstofcyclus waren tot nu niet gezien.
Schoonste vloeistof in het universum
Het Borexino-experiment bij Gran Sasso in Italië speurt naar deze spookdeeltjes. Dit experiment bevat bijna 280 ton vloeibaar detectiemateriaal en het zit diep weggestopt in een berg, zodat honderden meters gesteente de detector afschermen van verstoringen, zoals (andere) kosmische deeltjes.
Zelfs de straling van aanwezige radioactieve deeltjes in het detectormateriaal kan de detectie van de schaarse neutrino’s van de koolstof-stikstofcyclus verstoren. Daarom hebben fysici de detector zoveel mogelijke ‘gereinigd’ van radioactieve materialen. Een lastige klus, want bijna alles op aarde is wel een beetje radioactief. Dankzij slimme reinigingstechnieken is het gelukt om het stralingsniveau genoeg omlaag te brengen.
‘De kern van het Borexino-experiment is nu waarschijnlijk het minst radioactieve materiaal op aarde, misschien zelfs in het universum’, vertelt Marco Pallavicini, woordvoerder van het Borexino-experiment.
Onder deze bijna perfecte omstandigheden is het fysici gelukt om zo’n 150 zonne-neutrino’s per dag te detecteren. Ongeveer vijf daarvan kwamen van de koolstof-stikstofcyclus, zegt Pallavicini.
Deze metingen zijn het eerste directe bewijs voor de koolstof-stikstofcyclus in de zon. Toekomstige metingen kunnen ons meer leren over de aanwezigheid van zwaardere elementen, zoals koolstof, zuurstof en stikstof, in het hart van de zon. Zo leren we de zon steeds beter kennen, neutrino voor neutrino.
