Ηλιακά νετρίνα: επεξεργασία, ανάλυση και προσομοιώσεις διαστημικών και επίγειων παρατηρήσεων

Abstract

In the present thesis we focused our attention in the study of properties of solar neutrinos, combined with current experiments and solar neutrino detectors that present improved sensitivity and provide priceless information for the solar interior. We improved preexisting solar and stellar codes so that we study and we describe the mechanisms and the attributes that are consistent with the activities that are occurring in the interior of our Sun, there, where happened the thermonuclear reactions and produced solar neutrinos. We created the formalism and techniques which are used to upgrade the nuclear reaction rate library REACLIB, which is the most comprehensive and widely used library of this kind. The updated rates can now be used in the low temperature regime (T < 107K), which was forbidden in the old version of REACLIB. We calculated neutrino fluxes using the low energy astrophysical factors from the LUNA experiment (2005). We also calculated the mean lifetimes of isotopes which participate in the CNO-cycle of energy production in the Sun, using a FORTRAN-code and newly determined values of radiative opacity and of heavy element abundance, which enter into the formalism used. We did an extensive study of the solar structure and solar evolution code TYCHO 6.92, which includes a variety of programs and subroutines. In this code we incorporate microphysical parameters such as screening, recent experimental measurements (LUNA-2008) of the astrophysical factors-S, several new, recently measured, heavy element abundances, etc., and created new solar models. We used this code to calculate and update nuclear reaction rates, solar interior fluxes, solar quantities which characterize the internal solar structure such as temperature, pressure, density, luminosity, heavy element abundances (4He, 12C, 14N, 16O, etc.) as well as sound speed profile and depth of the convection zone, which in turn we compare with the observations of helioseismology. The results of the present work are very useful because we created the techniques and formalism which will be used, in the future, to renew and update thermonuclear reaction rate libraries that are used in the stellar evolution codes. In addition, the solar neutrino fluxes , which we calculated using an analytical and precise formalism, new, very recent input parameters, have been improved greatly. The 7Be, 8B neutrino fluxes are in very good agreement with the very recent neutrino detector measurements of Borexino and SNO (2008). The predicted fluxes deviate by 0.5 − 5.7% from the detector measurements. This is a very good agreement if one considers that the experimental errors are ∼ 2% and the theoretical uncertainties ∼ 8%. We are eagerly waiting the measurements of the newly created detector SNO+, which will give fluxes of low energy neutrinos which are produced in the p-p chain and the CNO-cycle. We find that the neutrino fluxes predicted by the models are not significantly affected by the choice of the heavy element abundances. The predicted sound speed profiles converges satisfactorily to the helioseismologically observed sound speed profile, when we use the older, higher, Z/X abundance 0.0229. We find large differences in the predicted sound speed profiles and those of helioseismology, when we make use of the new, lower, measurements of the heavy element abundances, namely, Z/X = 0.0165, 0.0178, 0.0181. The sound speed profile increases considerably at the distance, R/R⊙ ∼ 0.43 − 0.68, from the solar center, in the radiation zone of the solar interior, and the convection zone (RCZ) becomes more shallow in disagreement with the size given by the helioseismological measurements. We observe that, as Z/X increase and approaches the value of 0.0229, the predicted by the models sound speed profile approach the helioseismological profiles.

Στην παρούσα διατριβή εστιάσαμε την προσοχή μας στην μελέτη των ιδιοτήτων των ηλιακών νετρίνων, συνδυαζόμενη με πρόσφατα πειράματα και ανιχνευτές ηλιακών νετρίνων τα οποία παρουσιάζουν βελτιωμένη ευαισθησία και παρέχουν ανεκτίμητη πληροφορία ως προς το ηλιακό εσωτερικό. Βελτιώσαμε προϋπάρχοντες ηλιακούς και αστρικούς κώδικες προκειμένου να μελετήσουμε και να περιγράψουμε τους μηχανισμούς και τις ιδιότητες που συνάδουν με τις διεργασίες που υφίστανται στο εσωτερικό του Ηλίου, εκεί όπου συμβαίνουν οι αντιδράσεις θερμοπυρηνικής σύντηξης και παράγονται τα ηλιακά νετρίνα. Χρησιμοποιήσαμε πρόσφατα πειραματικά δεδομένα προκειμένου να ανανεώσουμε και να βελτιώσουμε τους ρυθμούς θερμοπυρηνικών αντιδράσεων που πραγματοποιούνται στον Ήλιο. Δημιουργήσαμε φορμαλισμούς και τεχνικές για την ανανέωση και αναβάθμιση της βιβλιοθήκης ρυθμών θερμοπυρηνικών αντιδράσεων REACLIB, η οποία είναι η πιο περιεκτική και ευρέως γνωστή βιβλιοθήκη αυτού του είδους. Οι ανανεωμένοι ρυθμοί μπορούν τώρα να χρησιμοποιηθούν για χαμηλές θερμοκρασίες (< 107 Κ), κάτι που δεν ισχύει στην παλιά REACLIB. Υπολογίσαμε, επίσης, τους μέσους χρόνους ζωής πυρήνων που λαμβάνουν χώρα στον κύκλο του άνθρακα (CNO-cycle), χρησιμοποιώντας ειδικό κώδικα Fortran και νέες τιμές της αδιαφάνειας του υλικού και της αφθονίας των χημικών στοιχείων που προέκυψαν από πρόσφατα θεωρητικά μοντέλα και πειραματικά δεδομένα τα οποία υπεισέρχονται στον φορμαλισμό. Έγινε εκτενής μελέτη και χρήση του κώδικα αστρικής δομής και εξέλιξης TYCHO 6.92 και πληθώρα προγραμμάτων που διαθέτει. Στον κώδικα εισάγαμε νέο, αναβαθμισμένο ηλιακό μοντέλο όπου χρησιμοποιήσαμε νέες βελτιωμένες τιμές των ρυθμών θερμοπυρηνικών αντιδράσεων, παραμέτρους μικροϕυσικής όπως screening, πρόσφατες, τιμές της αφθονίας των βαρέων χημικών στοιχείων και πρόσφατες πειραματικές μετρήσεις (LUNA) των αστροφυσικών παραγόντων -S. Στη συνέχεια υπολογίσαμε βελτιωμένες τιμές της ροής των ηλιακών νετρίνων, τις οποίες συγκρίναμε με τα αποτελέσματα των επίγειων ανιχνευτών νετρίνων. Υπολογίσαμε, επίσης, συναρτήσει της απόστασης από το κέντρο του Ηλίου, τις ηλιακές ποσότητες οι οποίες χαρακτηρίζουν την εσωτερική ηλιακή δομή, όπως είναι η αφθονία των χημικών στοιχείων (He4,C12,N14,O16, κλπ), η πυκνότητα, η θερμοκρασία, η πίεση, η φωτεινότητα καθώς και η ταχύτητα του ήχου και το βάθος της ζώνης μεταφοράς, τα οποία και συγκρίναμε με τις παρατηρήσεις της ηλιοσεισμολογίας. Τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας είναι ιδιαίτερα χρήσιμα διότι δημιουργήσαμε φορμαλισμούς και τεχνικές που θα χρησιμοποιηθούν στο μέλλον για την ανανέωση και αναβάθμιση βιβλιοθηκών ρυθμών θερμοπυρηνικών αντιδράσεων, οι οποίες εισέρχονται στους κώδικες αστρικής δομής και εξέλιξης. Έχουν εξαχθεί σημαντικά νέα αποτελέσματα όπως, ο ακριβέστερος υπολογισμός των ρυθμών θερμοπυρηνικών αντιδράσεων και της ροής των ηλιακών νετρίνων, για τα οποία χρησιμοποιήθηκαν πρόσφατα πειραματικά δεδομένα και ο κώδικας TYCHO. Οι νέες, προβλεπόμενες τιμές της ϱοής των ηλιακών νετρίνων έχουν βελτιωθεί σημαντικά και προσεγγίζουν το 0.9 της ροής των 7Be και 8B νετρίνων των ανιχνευτών Borexino και SNO. Η προβλεπόμενη ταχύτητα του ήχου συγκλίνει ικανοποιητικά με την ταχύτητα των παρατηρήσεων της ηλιοσεισμολογίας όταν χρησιμοποιούμε παλαιότερες τιμές της αφθονίας βαρέων στοιχείων, Z/X = 0.0229, αποκλίνουν, όμως, σημαντικά όταν εισάγουμε στο ηλιακό μοντέλο τις πρόσφατες, μειωμένες, τιμές της αφθονίας Z/X = 0.0165, 0.0176, 0.0187. Η τελευταία διαπίστωση καθιστά απαραίτητη την περαιτέρω βελτίωση των ηλιακών μοντέλων και την αναθεώρηση και βελτίωση των τιμών των εισαγόμενων παραμέτρων, όπως είναι η αδιαφάνεια του υλικού, ο παράγοντας screening, η διάχυση, κλπ, καθώς και η ενσωμάτωση στα θεωρητικά μοντέλα κάποιου βαθμού μη-ομοιογένειας (non-homogeneity) του ηλιακού εσωτερικού.