48

ISSN 0254-3486 = S./4. T yd sk rif vir N atu u rw eten skap en Tegnologie 7, n o. 1 1988

Die ontstaan van die heelal en kernsintese J .P .F . Sellschop W its-W N N R -N avorsingsentrum vir K ernw etenskappe, U niversiteit van die W itw atersran d , Jan S m u tslaan , J o h a n ­ nesburg 2001 UITTREKSEL

Teoriee i. v.m . die ontstaan van die heelal en kernsintese w ord in hierdie artikel bespreek. D ie kosm ologiese konsep van ’n " O erkn al” is gegron d o p waarnem ings d a t die heelal uitdy. D ie ew olusie van die heelal w ord b e sk ry f van af ’n baie klein ty d jie na d ie “ O erk n a l” d .m .v . d ie begrippe van elem entere deeltjie-fisika. Verskeie “E ra s”, waartydens bepaalde kernfisiese p ro sesse oorheers, w ord geindentifiseer. In ’n latere stadiu m vind die m erkw aardige kernsintese van k o o ls to f plaas, w at o p s y beurt lei to t die ew olusie van ander elem ente. O m fisie se teoriee in hierdie verband te bevestig is d it belangrik om neutrinom etings uit te voer en d ie resultate van sulke m etings deu r die WITS- W N N R -Schonland-N avorsingsentrum , w ord aangebied en bespreek. ABSTRACT

The origin o f the universe an d nuclear synthesis The origin o f the universe a n d nuclear synthesis are discussed in this pa p er. The concept o f the “Big B a n g ” is in­ trodu ced in co sm olo g y fr o m observa tio n a l evidence th at th e universe is expanding. The language o f elem entary particle p h ysics is used to describe the evolu tion o f the universe startin g a t a very sm a ll fra ctio n o f a secon d a fte r the "Big B ang” . Various “E ra s” are id en tified during which certain nuclear processes predom in ate. A t a later stage the rem arkable nuclear synthesis o f carbon takes place, leading to the evolution o f o th er elem ents. N eutrino m easurem ents are im p o rta n t to validate p h ysica l theories in this f ie ld a n d so m e results o f such m easurem ents b y the W ITS-CSIR Schonland Research C entre are presented. V oord at ek hierdie on d erw erp b e h an d el, m oet ek eers verduidelik w at m et “ o n ts ta a n ” bedoel w ord. D it is nie m y doel om tyd t = o te in terp reteer nie, o m d at dit buite m y verm oe o f insig le. E k beoog wel om die kennis w aaro o r ek beskik, aan te w end om die o n t­ staan van die heelal te p ro b eer v e rk la a r v a n a f ’n tyd t = (o + d elta-t), w aar d elta-t klein is, in d erd aad baie klein. W aarnem ing to o n d at ons heelal tans uitdy. In 1920 het die A m erikaanse sterrekundige, E dw in H ubble, o n td ek d a t sterrestelsels van m ek aar a f wegbeweeg teen ’n spoed w at ew eredig is a a n hulle afstan d e v a n a f die aard e. Die g ro n d vir hierdie belangrike feit is die w aarnem ing van die rooiverskuiw ing en die in terp retasie d a a rv a n i.t.v . D opplerverskuiw ing, ’n bekende verskynsel w at in 1842 al verduidelik is - F isik astu d en te geniet nog steeds die storie van die eksperim ent m et tro m p e tte o p ’n trein naby U tre c h t... D it lei egter onverm ydelik to t ’n projeksie terug in die ty d n a ’n heelal in ’n gekondenseerde to estan d en ’n “ O e rk n a l’’-o n tp lo ffin g w at ’n heelal to t gevolg het w at uitdy. Die g eloofw aardigheid v an hierdie konsep is o n dersteu n d e u r P enzias en W ilson (van Bell T elephone L a b o ra to rie s in H o lm d el, New Jersey, VSA) se w aarnem ing in 1965, van ’n see van m ikrogolfstraling w at die heelal vul. D ie straling is geinterpreteer as die reste van die h itte van die o o rsp ro n k lik e O e rk n a l, w at n o u afgekoel h et to t 2,7 K, die te m p e ra tu u r w at geassosieer w ord m et die 7,35 cm -golflengte v an die m ik ro g o lfstralin g . H ulle het o o k gevind d a t die stralin g o n a fh a n k lik is van dag, seisoen o f o rie n ta sie ... H ierd ie allesdeurstrom ende straling is ’n fossiele o orblyfsel van die O erknal. D ie stralin g stem o o reen m et ’n fo to ngas

w at die heelal vul en ’n digtheid van ongeveer 300 fo to n e per kubieke sentim eter het. A an g esp o o r deur hierdie w aarnem ings en insig k a n ’n m ens p robeer om n a die o n tstaa n so o m b lik k e van die heelal te ek strap o leer, o m die uiterste to estan d e w at toe geheers h et, te d efin ieer en om vrae o o r die huidige asim m etrie van m aterie en an ti-m aterie te oorw eeg. D ie H ubblew et v erbind die afstan d e (r) van groepe sterrestelsels en hulle snelhede van terugw yking (v) d e u r die H u b b lek o n stan te, H q. D it is geldig vir afstan d e so g ro o t d a t plaaslike effek te vero n tag saam k an w ord, m aa r nie so g ro o t d a t relatiw istiese effek te (vertraging o f spoedverm indering) w eg laatb aar is nie: v = Hor D ie resip ro o k van die H u b b lek o n sta n te het die dim ensie van tyd en w o rd H u b b le ty d genoem . A s die uitdyingsnelheid g ed urende die ew olusie v an die heelal k o n sta n t w as, d a n sal die H u b b lety d die ouderd o m van die heelal wees. W aarnem ing lew er ’n H u b ­ bletyd van 1,8 X lO'® ja a r. D ie uitdying van die heelal w ord egter vertraag d eu r selfgravitasie. Die H u b ­ b le k o n sta n te w as du s in die verlede g ro te r en die H u b b le ty d k o rte r as w at d it volgens ’n k o n stan te uitdysnelheid m o et wees. D it lei to t ’n w aa rd e van ongeveer 10*° ja a r vir die tyd to e die H eelal begin het o m u it te dy. D a a r b estaa n m eet gesofistikeerde m odelle van die heelal w a t m et hierdie “ o u d e rd o m ” o o reenstem en as die heelal wel geslote is en ’n redelike vertragingsp a ram eter h et, d a n is die tyd vir ’n siklus o m to t g eslotenheid - oftew el O erknal - teru g te keer 8 X 10’®ja a r . D ie u itd y in g sfak to r w o rd b esk ry f d eu r

49

ISSN 0254-3486 = S.y4. T yd sk rif vir N atu urw etenskap en T eg n o lo g ie l, no. 1 1988

FIGUUR 1: Siklus van die geslote heelal vir ’n vertragingsparameter, q = + 1 (sien venv. 1).

die fu n k sie R (t), soos in fig. 1 g e to o n . D eu r as u itg an g sp u n t die huidige w aarg en o m e gem iddelde d igtheid v an ongeveer 3 x KT^* g/cm ^ te neem , en d eu r b ekende fisikabeginsels to e te p a s, k a n die digtheid n ab y die begin van ty d , t = o , bereken w ord . . . en o n a fh an k lik van die b eso n d erh ed e van d ie b e re k e n in g s m e to d e k o m o n s g o u t o t die gevolgtrekking d a t die heelal superdig w as, m eer as 10^° g /cm ^, w at ’n tem p e ra tu u r v a n m eer as 10*^ K im pliseer.

DIE VROEE CHRONOLOGIE VAN DIE HEELAL O p ’n ty d stip t = epsilon is ons su perdigte heelal, interessa n t genoeg, m aar tog ironies, eenvoudiger van stru k tu u r as w at d it o o it w eer sal wees. D it b estaan u it ’n p rim o rd iale “ so p ” w aarin geen stru k tu u r, sy dit atom iese o f k e rn stru k tu u r, k o n b e sta a n h et nie. D ie elem entere deeltjies is alm al teen w o o rd ig , d a a r is (w aarskynlik) ’n gelyke hoeveelheid m aterie en antim aterie; m iskien is d a a r ’n geringe o o rm a a t m aterie w at lei to t die skynbare oorh eersin g v an m aterie in d ie heelal w at ons v andag w aarneem . T een hierdie u iterste te m p e ra tu re h et die heelal u it to ta a l o n tb inde k ern e b estaan ; dit was die ryk van elem entere deeltjie-fisik a, m .a .w . ’n w arm p lasm a van vrye deeltjies. B aie van die deeltjies was egter elektries gelaai (b v . p ro to n e en elek tro n e) en aangesien bew egende gelaaide deeltjies rem straling u itstraal, was die vroegste heelal ryk aan fo to n e. Die oorw egende deeltjies was dus elek trone, p o sitro n e, n e u trin o ’s, a n tin e u trin o ’s en fo to n e . Die p rim o rd ia le sop is gekarakteriseer d e u rd a t dit in v o lm aak te term iese ewewig was m et botsings tussen deeltjies en straling. Die sop was so dig d a t die gem id­ delde vrye p ad len g te van selfs n e u trin o ’s hulle beperk het to t die dim ensies van die sop. Die d igtheid was ongeveer 3,8 x 10® g / c m \ O m hierdie to e sta n d te beskryf, a so o k die to estan d w at vinnig h ieru it ontw ikkel h e t, k a n ons gerieflikheidshalw e die ta a l van elem entere deeltjie-fisika, soos k o rtlik s opgesom in fig. 2, g eb ru ik . D it is duidelik d a t al die elem entere deeltjies geklassifiseer is as b a rio n e , leptone o f b o so n e. D ie g ro ep b arione en boso n e is bekend as h ad ro n e . O n s begin m et die ew olusie v an die heelal in die H a d ro n e ra . In h o o fsaak is alle elem entere deel-

FIGUUR 2: Klassifikasie van elementere deeltjies volgens hulle massa (leptone, mesone en barione), spin (bosone en fermione), elektriese lading, bariongetal en leptongetal. Mesone en barione is deeltjies met sterk wisselwerking (hadrone). Barione word onderverdeel in stabiele nukleone en onstabiele hiperone. Geen resonanse word voorgestel nie. Die intermediere boson (fV^ en W~) en die graviton is hipotetiese deeltjies (sien verw. 1).

tjies m o ontlik, m a a r in geheel dom ineer die hadrone. D a ar is ’n gelyke resiprositeit B arion -I- an tib a rio n

g am m afo to n e.

A an g esien d a a r ’n m a te rie - en nie ’n antim aterieheelal is nie, is dit nodig om te aan v aar dat die aantal bario n e ten m inste ’n fraksie 10“ ® groter was as die a an tal a n tib a rio n e . A lhoew el dit ’n klein frak sie is, was hierdie geringe asim m etrie van wesenlike belang vir die to ekom s van die heelal. D aar was natuurU k o o k p o tro n e en neu tro n e in die “ so p ” en hulle relatiew e voorkom s is ’n aspek wat verdere ondersoek verdien. D it w ord vasgele deur ewewigsreaksies soos p + e n + e^

n + elek tro n -n eu trin o p + anti-(elektron-neutrino)

D a ar was egter slegs ’n geringe a a n ta l p ro to n e en n eu tro n e, ongeveer 1 in 10^ van die a an tal fotone o f e le k tro n e/p o sitro n e o f n e u trin o ’s/a n tin e u trin o ’s.

50

ISSN 0254-3486 = S.y4. T yd sk rif vir N atuurw etenskap en T e g n o lo g ie l, no. 1 1988

N a die eerste m ik ro sek o n d e h et die tem p eratu u r van die uitd y en d e heelal to t ongeveer lO'^ K gedaal en w ord die d ru m p elw aard e, o f selfs laer, van die rusenergie van die b ario n e bereik. F o to n e kan nie langer b a rio n -a n tib a rio n p a re p ro d u seer nie, m aar b ario n -a n tib a rio n v e rn ie tig in g k a n nog p laasvind, sodat a n tib a rio n e spoedig v erm in d er en d an verdw yn uit die w arm , uitdyende heelal. Die oorblyw ende bario n e het 6 f verval 6 f g ek askadeer n a hul laagste e n e rg ie to e s ta n d , m .a .w . n u k le o n e ( p ro to n e en neutrone). N a ongeveer 10“ '' sek. het die te m p e ra tu u r gedaal to t o m tren t lO'^ K en die energie van die deeltjies en foto n e het afgeneem to t ongeveer 100 M eV, w at te laag is vir die p ro d u k sie van pi-m esone. D it is nou die einde van die H A D R O N E R A w at g ed u u r het v an a f lO” '*^ to t 10“ “* sek. Die te m p e ra tu u r het gedaal van itf^ to t lO'^ K, terw yl d a a r ’n vinnige uitdying was w at ’n d igtheidsverandering v an 10^"* to t 10'‘* g/cm ^ to t gevolg gehad het. Die L E P T O N E R A h et n o u begin: m et die verloop van tyd to t 0,1s d aal die energie van die fo to n e en deeltjies van 100 to t 1 M eV en die te m p e ra tu u r daal to t ongeveer 3 x 10'° K. L ep to n e, d .w .s. elektrone, positrone, n e u trin o ’s, a n tin e u trin o ’s en fo to n e w ord n o u m eer v olop. H ulle is h o o fsaak lik nog in term iese ewewig en het ’n digtheid ongeveer 3 x 10^ groter as die digtheid van w ater. Die k arak teristiek e uitdyin g sty d is ongeveer 0,2s. Die n e u trin o ’s het n o u langer gem iddelde vrye padlengtes en d it het to t gevolg d a t hulle m in d er en m in­ der te doen het m et a n d e r m aterie, to td a t hulle later heeltem al o n tk o p p el en ’n eie b estaan voer. H ierdie oorgeblew e n e u trin o ’s b e h o o rt die heelal te vul net soos die oorgeblew e m ik ro g o lfstralin g . Die neutro n -p ro to n -ew ew ig w o rd n o u egter versteur (n eu tro n e verval m et ’n h alfveertyd van 12 m in.) en ons n ad er ’n popu lasie v an ongeveer 38% n eu tro n e en 62% p ro to n e . ’n O org an g sty d p erk tussen die L E P T O N E R A en die S T R A L IN G S E R A breek n o u a a n . Die tyd w at tot dusver verloop het, is ongeveer 1,09 sek. en die tem p e ra tu u r het to t 8 x 10® K g edaal. Die gem iddelde vrye p ad len g te van n e u trin o ’s en a n tin e u trin o ’s neem nog verder to e en hulle o n tk o p p e l nog m eer : n eu tri­ n o ’s bly ’n baie b elangrike energiesinkput van die heelal. Die digtheid het afgeneem to t 380 000 keer die van w ater en die karak teristiek e uitdyingstyd is nou ongeveer 2 sek. Die te m p e ra tu u r is n o u ook so laag dat die reak sied eu rsn it vir die skepping van elektronp o sitro n -p a re m inder is as die d eu rsn it vir elektronpositron-vernietiging. Soos g eto o n in fig. 3, ontw ikkel die n e u tro n -p ro to n -w a n b ala n s v erder n a onge­ veer 24% n eu tro n e en 76% p ro to n e . V ervolgens w ord die S T R A L IN G S E R A ten voile betree : die te m p e ra tu u r h et gedaal to t benede lO'** K en die energie d ien o o reen k o m stig to t m inder as 1 M eV. A lle ele k tro n -p o sitro n -p a re het hulleself vernietig en alle m ateriesk ep p en d e prosesse is beeindig. F o to n e en n e u trin o ’s is n o u 9 g ro o tte-o rd es m eer volop as deeltjies, gevolglik die “ stralin g sera” . Teen die einde van die stralin g sera is d a a r ongeveer ewe-

Ouderdom, s F IG U U R 3: D ie toenam e van die p ro to n - en afnam e van die n eu tronkom ponent m et ty d asook die begin van H e-sintese.

veel fo to n e en n e u trin o ’s. Die n eu tro n -p ro to n -w an balan s het ontw ikkel to t ongeveer 17% n eu tro n e en 83% p ro to n e. ’n Interessante situasie o n tsta a n n o u , ons eerste kern b eh o o rt te kan vorm en o o rleef by hierdie te m p e ra tu u r en soos verw ag kan w ord, is dit die sterk saam gebonde ‘‘H e, m aa r dit bestaan nog nie, om d at dit eers gevorm m oet w ord deur opeenvolgende kernreaksies: n d of d ^H e of

+ + + -h

p p n n p

+ ■^He -I-I■‘‘H e -I-

gam m a gam m a gam m a gam m a • ‘‘H e + gam m a

en die d eu te ro n w at ’n w esenlike deel van hierdie reeks reaksies is, is egter verreweg te onstabiel om te oorleef. Die fase w at bekend staan as die “ V u u rb ale ra” kom to t ’n einde. D ie n a tu u r bied ons egter nie die geleentheid om die to estan d , w at geheers het gedurende d aa rd ie m erkw aardige m aar k o rt tydjie, te bestudeer nie. D ie toestan d e kan egter nageboots w ord deur die stu d ie van hoe-energie-sw aar-ioonreaksies m et g ro o t versnellers, soos byvoorbeeld by die G SF in D a rm sta d t, W es-D uitsland. N ou kom die S T R A L IN G S E R A to t ’n einde: die te m p e ra tu u r het gedaal to t laer as 10® K, w at nogtans 70 keer w arm er is as die m iddelpunt van die son. N agenoeg 3 m in. 2 sek. het to t dusver verloop en ons n e u tro n -p o p u lasie is n o u ongeveer 14% n e u tro n e en 86% p ro to n e. So gou as w at d eu tero n stab iliteit m oo n tlik w ord, n a ongeveer 3 m in. 46 sek. en ’n tem p e ratu u r van 0 ,9 X 10® K , begin k e rn sin tese en ^H , ^H e en gevolglik o o k ‘*He o n tstaa n . So gou as w at die to estan d e geskik is vir ‘‘H e-produksie, w ord die o o rb ly w e n d e n e u tro n e vinnig g e a b so rb e e r. D ie n e u tro n a fn a m e w o rd skem aties in fig. 4 aan g etoon. ’n N uw e era begin n o u , naam lik die ST E R -E R A . O m tre n t 34 m in. 40 sek. het verloop, die te m p e ra tu u r is no u nagenoeg 3 x 10* K en die digtheid 10% die

ISSN 0254-3486 = s.y4. T yd sk rif vir N atuurw etenskap en T eg n o lo g iel, no. 1 1988 PPI

of P P II

van w ater. Sintese is beeindig, aangesien d a a r nie m eer n eu tro n e is nie en n o u is d a a r: 22% ^He

78% p

n

P + P + P

-t- e^ + neutrino

’H e + ’ H e

’ H e + gam m a ^H e + 2p

’H e + ^H e ’ Be + e ’Li + P

’ Be + gam m a ’ Li + neutrino ®Be 2 ''He

of P P III

F IG U U R 4: O ntleding van d ie afnam e van die n eu tron kom pon en t m et ty d en tem peratuur.

51

*Be + gam m a *Be + e" + neutrino

’ Be + P *B »Be

2^H e

W atersto fv erb ran d in g gebruik nie p ro to n e op nie, m aar stel hulle weer aa n die siklus vry. Die pro d u k te van belang is '*He en n e u trin o ’s. O ns het in w erklikheid in ’n ‘*He-siklus beland, m aar kan d aaru it o n tsn ap d e u r H E L IU M V E R B R A N D IN G : ^H + '‘H e + '‘H e ^

'^C + gam m a

en 31% n e u trin o ’s en a n tin e u trin o ’s 69% fo to n e. D it is nog te w arm vir die b estaan v an ato m e; nog 700 000 ja a r m oet verloop v o o rd a t ato m e stabiel kan bestaan . Die ster-era w o rd gekenm erk d eu r die o p perm ag van m aterie w at d eu r gravitasie k an lei to t aggregasie en die vorm ing van sterre, sterrestelsels en p lanetere stelsels - en in w erklikheid h et al hierdie dinge dan oo k gebeur. 0 n s het nog m eer as i t f oorgeblew e fo to n e per cm^ en 10“ ® n u kleone per cm^, ’n verho u d in g van lO^. ’n B eknopte voorstelling van die verloop van sake to t in hierdie stad iu m w ord in fig. 5 getoon.

7 ,370

’ Be + *He

*H e+ *H e + *He

FIG U U R 6: D iagram van die energievlakke van die k o o ls to f - I 2 k e rn , w a t d ie re so n a n s v ir d ie *He + ‘'H e + ^He-reaksie aantoon.

F IG U U R 5: Ew olusie van deeltjie- en fo to n k o m po n en te van d ie heelal (sien verwysing I).

M et die aggregasie van w atersto f, w at o o rheersend teenw o o rd ig is, en die invloed van die tem p e ra tu u r w at nog h o o g is, begin S T E R E W O L U S IE , aanvanklik d eu r W A T E R S T O F V E R B R A N D IN G . D rie k o m p o n en te van die P R O T O N -P R O T O N -siklus w ord geidentifiseer:

’n Baie belangrike aspek van die reaksie w ord in fig. 6 getoon (4)- d a a r is ’n resonans binne ’n paar h o nderd keV van die som van die rus-m assas van die drie ‘*He deeltjies, sodat die w aarskynlikheid van die driedeeltjie-reaksie aansienlik verhoog en koolstofproduksie h o o fsaak lik d a a rd e u r bepaal w ord . . . ’n baie gunstige eienskap van k ern stru k tu u r insoverre d it die m ensdom en die ontw ikkeling van iewe betref! H eliu m v erb ran d in g speel oo k verder ’n baie belangrike rol in die ew olusie van die elem ente in die groter aggregasie sterm ateriaal:

'^C + •*He '* 0 + -*He 20

'Ne + ^He

' '* 0 + gam m a ►^®Ne + gam m a ’"‘Mg + gam m a

ISSN 0254-3486 = S ./l. T y d sk rif vir N atuurw etenskap en T e g n o lo g ie l, no. 1 1988

52

As d a a r eers k o o lsto f is, tree o o k die C -N -O -siklus na vore:

C + N 13

Woterstof verbronding

13

N + g am m a + e"" + n eu trin o - •'•n + g am m a

— C‘

enso v o o rts, en o o k die p ro d u k sie van '^N , '®0, ‘^O . . . kan geredelik aan g e to o n w o rd . O m terug te keer n a helium verbranding:

yT\

1/

It

20

Ne

Ne^'------ Ne"?-------N a ^ - -

a - proses 32

18 •'‘N + '‘H e F + g am m a **0 + e^ + n eu trin o

18i

.48

ensovoorts. O ok die p ro d u k sie v a n ... ^^Ne, ^'N e, kan geredelik aan g e to o n w o rd d eu r bekende reaksies w at o ok in die la b o ra to riu m d eu r ’n aantal navorsers goed b estudeer is. Die ryke verskeidenheid k ern reaksie-fisika w at op die spel is, w ord w eerspieel d eu r die “ A lfap roses” , d .i. K O O L S T O F - E N S U U R S T O F V E R B R A N D IN G : bv.

12

c+

16

o + '*o

Ti

/ p-proses \ \ y-prosesy prosesyjransbismut,,, Elemente

< U ,T h,ens) —

V e r n o a m .,.

■Neutron v a n , .

' “N e + H e • ^^Na + p ^^Mg + n ♦ 2«Si + '‘H e ► + p » ^'S + n

' K o t a lit ie s e p r o s * *

E kw ilib riu m

e -p ro s # s

A lfo vang s- a * p r o ie t

P ro se sse wot m ind«r voorkom ^ CN, N« Na sik tu ss e

M o d itiseren d .

-----— A lfa v e rv o l of »piytin g

FIGUUR 7: Skematiese diagram van die kernprosesse waardeur elementsintese in die sterre plaasvind (sien verw. 3).

D it is m o e ilik o m d ie v o ile o m v a n g v a n sterew olusie in kriptiese v o rm w eer te gee, m aar fig. 7 (te d a n k e aan B urbridge, B urb rid g e, Fow ler en H oyle, verw ysing 3) w o rd dikw els g eb ru ik om die ewolusie van die elem ente w eer te gee. O p hierdie wyse is d it m o o n tlik om die algem ene voorkom sk ro m m e (fig . 8, g en eem u it v e rw y sin g 3) te reproduseer.

INLIGTING IN DIE NEUTRINO-“ SEIN” T en spyte d a a r v an d a t slegs ’n b e p erk te keuse van kernreaksies h ierbo aangebied is, is d it duidelik dat n e u trin o ’s dikw els u itg estraal w o rd . T en opsigte van die inleidende P R O T O N -P R O T O N -sik lu s is d aa r sowel n e u trin o k o n tin u a as d isk rete lyne w at o p ’n unieke wyse diagnosties is v an die (kern)gebeure w at (byvoorbeeld) in die son p laasv in d . V erm oedelik sal die son se n e u trin o sp e k tru m lyk soos die in fig. 9. D it is duidelik d a t as d it m o o n tlik is om so ’n sp ek trum te m eet, d it ’n d irek te aan d u id in g v an die geldigheid van ons begrip v an die k ern fisik a in die son sal wees. H ierdie o n d erw erp is v an v o o rtd u re n d e belang vir ’n a an tal navorsingsgroepe in die w ereld, o o k vir die W I T S -W N N R -S c h o n la n d -N a v o rs in g s e n tru m v ir K ernw etenskappe. V ir baie ja re reeds het ons die w aarnem ing van n e u trin o ’s w at die aa rd e se opperv lak te bereik, o n d erso ek . D ie p robleem is egter d at die a a rd e bedek is m et ’n k o m b ers, n aam lik die atm o sfeer, en die p rim ere kosm iese straling w at h o o fsaak lik u it p ro to n e b e sta a n , gee aanleiding to t ’n verskeidenheid k ernreaksies, w aarv an som m ige in

Atoommassa FIGUUR 8: Skematiese kurwe van atoomvoorkoms as ’n funksie van atoommassa. Hierdie algemene voorkomskurwe is hoofsaaklik afgelei van aard-, meteoriese- en sondata en in ’n paar gevalle, van ander astronomiese bronne.

ISSN 0254-3486 = S./1. T y d sk rifv ir N atuurw etenskap en T eg n o lo g iel, no. 1 1988

53

FIGUUR 9: Neutrinospektrum van die son.

fig. 10 geto o n w ord. U it hierdie reaksies is dit duidelik d at n e u trin o ’s geproduseer w o rd . Gevolglik m oet ’n n eu trin o d etek to r die n e u trin o ’s v a n a f die son in ’n oorw eldigende see van n e u trin o ’s w at deur kosm iese straling in die atm o sfeer g eproduseer w ord, o p sp o o r. By W its is, o o rsp ro n k lik in sam ew erking m et die C ase-W estern Reserve U niversiteit te C leveland, O h io , en later o ok in sam ew erking m et die U niver­ siteit van C alifo rn ie te Irvine, beide in die VSA, die weg gevolg om diep o n d erg ro n d s te g a a n , deur gebruik te m aak van die diep goudm yne in die RSA en m eer spesifiek die E R P M -m yn te B oksburg. Die

FIGUUR 10: Ontwikkeling van neutrino- en muonkomponente in die aarde se atmosfeer, ingeiei deur primere kosmiese straling asook die logika van die diep detektor in ERPM (Boksburg).

FIGUUR 11: (a) ’n Detektorelement, (b) deel van die detektoropstelling en (c) die hoeklogika van die detektoropstelling in ERPM.

logika van die eksperim ent w ord aang eto o n in fig. 10. Alhoew el die vertikale diepte o n der die oppervlakte nog te klein is om prim ere m uone v a n a f die atm osferiese b ro n te ab so rb eer, sal hierdie m uonvloed vinnig afneem as w aarnem ing in ’n horisontale rigting i.p .v . vertikaal geskied. As ons dus m uone in die horisontale rigting w aarneem , d an is hulle die “ d o g ters” - die gevolg van neutrinokernbotsings. O ns m oet dus die hoekverdeling van m uone m eet: die eksperim entele opstelling w at gebruik w ord, w ord in figure 10 en 11 geto o n . Die enkeldetektorelem ente bestaan uit sintillasietenks w at elkeen gekoppel is aan 4 fotoverm enigvuldigerbuise (fig. 11 la)). D rie tenks is o p m ek aar gestapel en geplaas o p twee rye spore (fig. 11 |b l). Soos uit fig. 11(c) blyk, kan ’n hoekverdeling dus gemeet w ord. D aarbenew ens is die sintillatortenks deur ’n a a n ta l sg. flitsbuise om ring sodat die hoekverdeling nog ak k u rate r bepaal kon w ord. Soos verw ag, het die resu h ate w at verkry is, getoon d a t die hoekverdeling h o o fsaak lik ’n k o n sta n te k o m p o n e n t vertoon w aaro p ’n steil, vertikale bydrae gesuperponeer is eersgenoem de is te d an k e aan die neutrinogeproduseerde m u o n e, laasgenoem de aan die m uone van die atm osfeer. H ierd eu r is vir die eerste keer die bestaan van n e u trin o ’s in die n a tu u r aan g eto o n , terwyl die neutrinovloed oo k bepaal is (5). Die neutrinogebeure is as ’n funksie van aankom srigting aangedui om m oontlike u itstaan d e w arm kolle in die hem elsfeer o p te sp o o r. Binne die grense van die statistiek van hierdie eerste poging tot “ n e u trin o ste rrek u n d e” kon egter geen besliste u itsp raak gem aak w ord nie. Die vraag n a n e u trin o ’s spesifiek v a n a f die son is ondersoek m et ’n afsonderlike d e tek to r w at ontw erp is om elastiese verstrooiings van hierdie n e u trin o ’s d eu r elektrone op te sp o o r. S kattings het aangedui d a t, indien die

54

ISSN 0 2 5 4 -3 4 8 6 = 5 ./!. T yd sk rif virN atu u rw eten skap e n T e g n o lo g ie l, n o. 1 1988 TABEL 1 V eronderstelde Iw eeliggaam -vervalm od usse nukleonverval, d .w .s. barion nie-behoud

FIG U U R 12: G etuienis vir d ie bestaan van die interm ediere vektorboson, , sal gelew er w ord as twee am per-paratielle m uonbane deur die d etek to r waargeneem word.

m etings suksesvol sou wees, d it n a aan ons w aarnem ingsgrens sou wees. Soos dit w as, het ons baie seine gekry, m aar niks w at eenduidig aan so n n e u trin o ’s toegeskryf k on w ord nie. Die w erk van Davis in die H om estake G old M ine in die V SA het d a a rn a getoon d at die so n n eu trin o v lo ed ten m inste ’n fa k to r 3 m inder is as w at voorspel is en so d o en d e is die wetenskaplike w ereld g ek o n fro n teer m et ’n probleem van wesenlike belang. Die eksperim ente in die E R P M -la b o ra to riu m het ander d a ta van baie g ro o t belang opgelew er. Dit w ord aangeneem d a t alle k rag te bem iddel w ord deur die uitruiiing van een o f an d er so o rt “ d eeltjie” : swak kernkrag w at b etrekking het o p die neutrino-geinduseerde reaksie w aarv o o r ons d e te k to r o ntw erp is, sal deur die “ W ” -deeltjie bem iddel w ord. Die gevolg van die W -deeltjie se bem iddeling van die swak kernreaksie sal, soos in fig. 12 g eto o n , ’n spesifieke sein wees. Twee m u o n-gebeure sal gelyktydig in ’n bepaalde geom etrie gesien w o rd . Sulke gebeure is gesoek en u it die resu ltate k o n ’n laer grens van 40 GeV vir W vasgestel w o rd . T o e die reuse-versnellerkom pleks by C E R N ’n p a a r ja a r later in sta a t was tot genoegsam e energie, is aan g e to o n d a t W ’n m assa van 81 GeV het. ’n A n d er interessan te resu ltaat van die w erk was om die d a ta te gebruik om o n d erso ek in te stel n a die verval van die p ro to n . Indien die p ro to n verval, sal dit die n ie-behoud van b ario n e im pliseer. In tabel 1 w ord b a rio n n ie -b e h o u d m o d u sse spesifiek vir tw eeliggaam -vervalm odusse g eto o n . D ie eerste, mees konserw atiew e o ntleding van die d a ta het as ’n laer grens ’n p ro to n leefty d van 2 x 10^* to t 8 x 10^® ja a r gelewer. ’n S trenger o n tled in g gee ’n laer grens van 2 X 10^° ja a r . Die huidige teoretiese voorspelling (bekend as m inim ale SU |5 l) p laas die laer grens by 4 ,5 X 10^’ j a a r en d a a r is b e se f d a t ’n m eer gesofistikeerde b en ad erin g nodig is. ’n P a a r ja a r later het ’n verbeterde ek sperim ent in die VSA (deur middel van ’n Irivine-M ichigan-B rookhaven-sam ew erking) ’n laer grens van 10^^ ja a r vir die vervalm odus p e^ + n eutrale pio n , gelewer. G evolglik is die saak nog nie beslis nie en soos verw ag kan w ord, is dit die studie-onderw erp in ’n a a n ta l diep gate in die aarde.

-

340 M eV

V 458

K+ 105 M eV

V 339

vir

-t- Y e" 469 M eV 469 -1- y /i" 369 M eV 464 x°

-> e^

+

e“ 458 MeV

+

K“ 100 MeV

340 M eV

239 M eV

Uitgaande van veronderstelde vervalmodusse: Tweetenk lA 45-90°, T > 2 X 10^* to t 8 X itf® ja a r

Uitgaande van muon-vervalmodus: Een lenk V dubbel puls, T > 2 X 10^® ja a r

GEVOLGTREKKINGS D ie bestudering v a n die vroee ew olusie van die heelal, stervorm ing a so o k van ’n heel beskeie ster (ons son), bied a an die fisikus ’n ryke en uitdagende navorsingsgebied; ’n gebied w at, alhoew el onw illig, al hoe m eer sy geheim e prysgee.

BEDA NK ING G raag bedank ek d r. R .J .N . Brits en sy kollegas by d ie P re to ria sik lo tro n vir die v ertalin g v an die m an u sk rip .

VERWYSINGS 1. Kleczek, J. (1976). The t/zi/verse (Reidel Publishing Com pany, H olland). 2. W einberg, S. (1977). The First Three M inutes (hndtiD tuiSQ h, London). 3. Burbridge, B urbridge, Fowler & Hoyle Rev. M od. Phys 29 (1957) 547. 4. Ajzenberg-Selove, F. N ud.P hys. A433 (1985) 54-98. 5. Heines F. et al. Phys.R ev.L ett 15 (1965) 429-433. Reines F. et al. Phys-Rev.D4 (1971) 80-98. Meyer B.S. et al. Phys.Rev. D1 (1970) 2229-2244.